java 原子操作的实现原理(2)

妖狐艹你老母 2022-05-09 04:16 223阅读 0赞

Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。

在上一节中就有讲总线锁和缓存锁：[https://blog.csdn.net/wang20y8/article/details/82910655][https_blog.csdn.net_wang20y8_article_details_82910655]

这一节只讲使用循环CAS实现原子操作：

(1)JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。下面是通过CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count代码：

package com.heque;

import java.util.ArrayList;  
import java.util.List;  
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASConcurrency \{

public static void main(String\[\] args) \{  
        final Counter counter = new Counter();  
        List<Thread> list = new ArrayList<>(600);  
        long start = System.currentTimeMillis();  
        for (int i = 0; i < 100; i++) \{  
            Thread t = new Thread(new Runnable() \{

@Override  
                public void run() \{  
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) \{  
                        counter.count();  
                        counter.safeCount();  
                    \}  
                \}  
            \});  
            list.add(t);  
        \}  
        for (Thread t : list) \{  
            t.start();  
        \}  
        // 等待所有线程执行完成  
        for (Thread t : list) \{  
            try \{  
                t.join();  
            \} catch (InterruptedException e) \{  
                e.printStackTrace();  
            \}  
        \}  
        System.out.println(counter.i);  
        System.out.println(counter.integer.get());  
        System.out.println("使用时间：" + (System.currentTimeMillis() - start+"ms"));  
    \}  
\}

class Counter\{  
    public AtomicInteger integer = new AtomicInteger(0);  
    public Integer i = 0;  
    /\*\* 使用CAS实现线程安全计数器 \*/  
    public void safeCount() \{  
        for (;;) \{  
            int i = integer.get();  
            boolean suc = integer.compareAndSet(i, ++i);  
            if (suc) \{  
                break;  
            \}  
        \}  
    \}  
    /\*\*  
     \* 非线程安全计数器  
     \*/  
    public void count() \{  
        i++;  
    \}

(2)CAS实现原子操作的三大问题

1）ABA问题。

ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2）循环时间长开销大。

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：第一，它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（Memory Order Violation）而引起CPU流水线被清空（CPU Pipeline Flush），从而提高CPU的执行效率。

3）只能保证一个共享变量的原子操作。

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

[https_blog.csdn.net_wang20y8_article_details_82910655]: https://blog.csdn.net/wang20y8/article/details/82910655