深入理解Java高并发编程（5） - 无锁并发/乐观锁

1. CAS

CAS(Compare and Swap) 是一种无锁操作,包括以下三个操作数

• 内存地址/变量地址：要修改的变量地址
• 期望的原值
• 期望的新值

CAS的逻辑是通过将要赋值时候，比较要修改的变量值是否还等于原值，等于才把原值改为新值，否则则不进行任何操作，它的底层是依赖CPU的硬件指令（如 x86 架构的 CMPXCHG 指令），由硬件保证原子性，效率很高。

CAS需要配合Volatile使用，因为CAS需要借助volatile拿到变量的当前最新值来实现比较和交换。CAS仅仅是保证了赋值操作的原子性。

CAS适合线程数少的时候使用，尽量避免线程上下文切换

CAS操作的优点

• 无锁，开销小
• 多核CPU下CAS的线程上下文切换少（时间片耗尽发生），CAS通过线程不断运行不断尝试，减少线程阻塞，减小线程上下文切换的开销。
• 充分利用cpu资源

2. 原子类

JUC包下的原子类实现了CAS操作，底层是通过持有一个unsafe的成员变量，通过操纵unsafe的native方法实现CAS（正如我们之前所说,CAS操作底层依赖CPU的硬件指令）

原子类内部会维护一个volatile的value值，使得原子类保证了原子性，可见性，有序性。

2.1 原子整数

• AtomicBoolean

• AtomicInteger：对四字节整数封装，使其操作是原子的

  • compareAndSet：只做一次CAS操作，成功返回true。

  • getAndUpdate:接受一个IntUnaryOperator的函数式接口，在里面写lambda表达式执行具体的计算逻辑，底层还是调用compareAndSet搭配while循环。

• AtomicLong：对八字节整数封装，使其操作是原子的

2.2 原子引用类型

保证引用类型变量的线程安全。

• AtomicReference
• AtomicStampedReference
• AtomicMarkableReference

ABA问题：AtomicReference能保证修改时值是没有发生变化的，但却不能保证对象有没有被修改过（也就是从A修改成B又修改成A，检测的时候还是两个A，依然可以CAS），这时候就可以用AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference

• AtomicStampedReference
  • 构造函数可以传入对象和一个int类型作为时间戳（版本号），每次完成一次修改都去修改这个时间戳，表示发生了一次修改
  • AtomicStampedReference能得知对象发生了多少次修改
• AtomicMarkableReference
  • AtomicMarkableReference关注对象是否发生了修改
  • 构造函数传入对象和boolean类型表示是否被修改过

2.3 原子数组

当存在多线程操作数组中元素的场景，可以用到原子数组类来保证线程安全。

• AtomicIntegerArray
• AtomicLongArray
• AtomicReferenceArray

2.4 字段更新器

利用字段更新器，可以针对对象某个field进行原子操作，只能配合volatile修饰的字段使用，否则会出现异常。

• AtomicReferenceFieldUpdater
• AtomicIntegerFieldUpdater
• AtomicLongFieldUpdater

2.5 原子累加器

jdk8后新增了几个累加类，且性能相对原子整数类的累加更好，更适合做累加。

因为累加器通过设置多个累加单元，在多线程的场景下，不同的线程操作不同的累加单元，最后再汇总，而原子整数被多线程累加后，可能存在线程竞争阻塞，这就导致了其性能不如原子累加器。

1. 原子累加器：

   • LongAdder：只能做相加，底层还是调用LongAccumulator方法，会检查是否有二元运算函数，因为没有所以是默认累加。

   • LongAccumulator:支持自己定义二元的LongBinaryOperator并进行运算

2. 原理：

   • LongAdder类的关键域:

  //累加单元数组，懒惰初始化
  transient volatile Cell[] cells;
  //基础值，但没有竞争，就使用这个域cas累加
  transient volatile long base;
  //在cells创建或扩容时置为1，表示加锁
  transient volatile int cellsBusy

3. CAS锁：

• CAS虽然是无锁的，也可以用有锁的思想，像这里去修改cellsBusy就是CAS（1表示加锁，0表示未加锁），这里也是为了保护共享变量cellsBusy多线程时的线程安全。

4. 伪共享问题：

• 伪共享问题指的是，在cpu中分为多级缓存，因为cpu直接去内存中找耗时较高，cpu会先把数据读到缓存中，而缓存是以缓存行为单位，一般是64byte，不同cpu核心可能会把数据读到同一个缓存的缓存行中，当某个核心修改了这个缓存行的数据，这个cpu核心和其他所有cpu核心都要重新去读当前修改数据所在的缓存行，这就是伪共享问题。

• Cell的源码中，@sun.misc.Contended注解是为了避免伪共享问题的注解，一个cell一般是24字节，这就导致了多个cell可能出现在多个cpu核心的同一个缓存的缓存行中。假设cell[0] 和cell[1]放在一个缓存行中,当核心1去修改cell[0]，核心2的缓存行就会失效，就得重新从内存中读数据。@sun.misc.Contended通过在每个cell的前后加了128byte的空隙，使得不同cell放在了不同的缓存行，这样就能避免伪共享的问题。

LongAdder add原理：

• 当调用add方法时候，先判断cells是否为null
  • 如果为null 就使用base进行CAS累加
    • 如果CAS累加成功，就return掉
    • 如果失败了就调用longAccumulate方法进行cells的创建
  • 当cells不为null时候
    • 去判断当前线程是否创建了cell，如果创建了，就在当前线程对应的cell上累加，累加成功就return，失败了则调用longAccumulate方法。
    • 如果当前线程没创建cell，也是调用longAccumulate方法

3. Unsafe类

Unsafe对象提供了非常底层，操作内存，线程的方法，之前的CAS，park/unpark 中都是调用了Unsafe中的方法。Unsafe对象不能直接调用，只能通过反射获得。