java并发（3）——无锁

阳光穿透心脏的1/2处 2022-05-28 07:56 187阅读 0赞

# 无锁类的原理 #

## CAS算法 ##

CAS算法的过程是这样:它包含3个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量,E表示预期值,N表示新值。仅当V 值等于E值时,才会将V的值设为N,如果V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么 都不做。最后,CAS返回当前V的真实值。CAS操作是抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成 操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时,只有一个会胜出,并成功更新,其余均会失败。失败的线程 不会被挂起,仅是被告知失败,并且允许再次尝试,当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理,CAS 操作即时没有锁,也可以发现其他线程对当前线程的干扰,并进行恰当的处理。

## 为什么要使用CAS ##

在多线程高并发编程的时候，最关键的问题就是保证临界区的对象的安全访问。通常是用加锁来处理，其实加锁本质上是将并发转变为串行来实现的，势必会影响吞吐量。而且线程的数量是有限的，依赖于操作系统，而且线程的创建和销毁带来的性能损耗是不可以忽略掉的。虽然现在基本都是用线程池来尽可能的降低不断创建线程带来的性能损耗。

对于并发控制而言，锁是一种悲观策略，会阻塞线程执行。而无锁是一种乐观策略，它会假设对资源的访问时没有冲突的，既然没有冲突就不需要等待，线程不需要阻塞。那多个线程共同访问临界区的资源怎么办呢，无锁的策略采用一种比较交换技术CAS（compare and swap）来鉴别线程冲突，一旦检测到冲突，就充实当前操作指导没有冲突为止。

与锁相比，CAS会使得程序设计比较负责，但是由于其优越的性能优势，以及天生免疫死锁（根本就没有锁，当然就不会有线程一直阻塞了），更为重要的是，使用无锁的方式没有所竞争带来的开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，他比基于锁的方式有更优越的性能，所以在目前被广泛应用，我们在程序设计时也可以适当的使用。

对于性能举个例子：线程切换的开销大约8万个CPU时钟周期，而一次循环的尝试基本就是几条指令（循环不要太复杂）这样就值需要几个时钟周期，那么用这个成本去对赌8万个时钟周期，基本上是有的赚的。

不过由于CAS编码确实稍微复杂，而且jdk作者本身也不希望你直接使用unsafe（后面会讲到）来进行代码的编写，所以如果不能深刻理解CAS以及unsafe还是要慎用，使用一些别人已经实现好的无锁类或者框架就好了。

## AtomicInteger ##

初次接触CAS的人一般都是通过AtomicInteger这个类来了解的，这里讲其原理也借助这个类。  
AtomicInteger的接口：  
![这里写图片描述][70]  
AtomicInteger的源码：  
![这里写图片描述][70 1]

AtomicInteger中真正存储数据的是value变量，而改变量是被volatile修饰的，保证了线程直接的可见性。还记得Integer中的value吗？Integer中的value是被final修饰的，是不可变对象。  
![这里写图片描述][70 2]  
![这里写图片描述][70 3]  
getAndSetInt方法通过一个死循环不断尝试赋值操作。

上面可知，Unsafe类是CAS实现的核心。  
从名字可知，这个类标记为不安全的，JDK作者不希望用户使用这个类，我们看一下他的构造方法：  
![这里写图片描述][70 4]  
如果ClassLoader不是null,直接抛出异常了，我们没办法在应用程序中使用这个类  
例子：  
![这里写图片描述][70 5]  
![这里写图片描述][70 6]  
看一下compareAndSwapInt的方法声明  
![这里写图片描述][70 7]  
第一个参数是给定的对象，offset是对象内的偏移量（其实就是一个字段到对象头部的偏移量，通过这个偏移量可以快速定位字段），第三个参数是期望值，最后一个是要设置的值。

其实这里Unsafe封装了一些类似于C++中指针的东西，该类中的方法都是native的，而且是原子的操作。原子性是通过CAS原子指令实现的，由处理器保证。

## jdk中的CAS实现 ##

java.util.concurrent.atomic包  
![这里写图片描述][70 8]

[70]: /images/20220528/884e18160dbf443bba5f33813c296570.png
[70 1]: /images/20220528/20e47a936696401caa3efbada6f63441.png
[70 2]: /images/20220528/61a1ed5fb8a24a19bc5a2168d0c05e59.png
[70 3]: /images/20220528/9138fa6812f8486c8ce0377f59f31556.png
[70 4]: /images/20220528/f9c85ccacf034491a0fcd2f48f3d7aea.png
[70 5]: /images/20220528/d2ee84c988b64dafa64685095d4784e4.png
[70 6]: /images/20220528/45ec219f2a4f45da903178fdc5eae56e.png
[70 7]: /images/20220528/ca151ced6fe8488cb299d7e660134272.png
[70 8]: /images/20220528/07d7d444c6a240269490ee453de6a7f4.png