Java实现原子操做

Java实现原子操做

什么是原子操做

http://www.infoq.com/cn/articles/atomic-operations-and-contention

计算机操做最重要的构成单位是原子操做。这里的原子跟物理上说的原子没有任何关系，而是起源于单词atom，也就是希腊语“ἄτομος”（意为不可见的）。原子操做是一种不可再细分的操做，或者在系统中其余处理器看来是不可再分了。为了说明为何原子操做很重要，考虑两个处理器以几乎相同的方式增长一个计数器，翻译成C语言就是counter++，此时会发生什么：

指令周期	处理器一	处理器二
0	reg = load(&counter);
1	reg = reg + 1;	reg = load(&counter);
2	store(&counter, reg);	reg = reg + 1;
3		store(&counter, reg);

在编译好的代码中，这样一个操做分为：读操做、寄存器自加，最后是一个写操做（这里用相似C语言的伪代码表示）。这三个步骤是独立且按顺序执行的（注意，对于x86来讲，在更微观的架构层次上这句话是正确的，可是在指令集架构的层次上，这三步看起来能够用一条“读-修改-写（read-modify-write）”指令完成：add [memory], value）。而且由于这些操做被分红多个指令周期来执行，因此在处理器一读完counter（而且正开始把它加一）以后，把结果写回去以前的空隙，处理器二也有可能去读它。结果致使虽然两个处理器都去增长这个计数器，但最终计数器的值只被加了1，其中一个加法运算“丢失”了。

原子操做偏偏就是用来防止这个问题的。若是咱们使用一个原子的自加操做（说得更通用一点，原子加法）而不是常规的自加操做，执行指令的处理器会确保上面的三个步骤（读、加、写）像一条指令那样完成，成为一个原子操做。在自加操做进行的时候，其余处理器没法插手。

什么是CAS

比较并交换 Compare and Swap

CAS操做须要输入两个数值，一个旧值（指望操做前的值）和一个新值，在操做期间先比较下旧值有没有发生变化，若是没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。

使用循环CAS实现原子操做

JVM中的CAS操做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操做直到成功为止，如下代码实现了一个基于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。

package com.usoft;

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

public class Counter {
    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
    private int i = 0;

    public static void main(String[] args) {
        final Counter cas = new Counter();
        List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>(600);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        cas.count();
                        cas.safeCount();
                    }
                }
            });
            ts.add(t);
        }

        for (Thread t : ts) {
            t.start();
        }
        // 等待全部线程执行完成
        for (Thread t : ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicI.get());
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

    }

    /**
     * 使用CAS实现线程安全计数器
     */
    private void safeCount() {
        for (;;) {
            int i = atomicI.get();
            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }

    /**
     * 非线程安全计数器
     */
    private void count() {
        i++;
    }
}

从Java1.5开始JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操做，如AtomicBoolean（用原子方式更新的 boolean 值），AtomicInteger（用原子方式更新的 int 值），AtomicLong（用原子方式更新的 long 值），这些原子包装类还提供了有用的工具方法，好比以原子的方式将当前值自增1和自减1。

CAS虽然很高效的解决原子操做，可是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操做。

ABA问题。由于CAS须要在操做值的时候检查下值有没有发生变化，若是没有发生变化则更新，可是若是一个值原来是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，可是实际上却变化了。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一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5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方法做用是首先检查当前引用是否等于预期引用，而且当前标志是否等于预期标志，若是所有相等，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。

public boolean compareAndSet

        (V      expectedReference,//预期引用

         V      newReference,//更新后的引用

        int    expectedStamp, //预期标志

        int    newStamp) //更新后的标志

循环时间长开销大。自旋CAS若是长时间不成功，会给CPU带来很是大的执行开销。若是JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有必定的提高，pause指令有两个做用，第一它能够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。第二它能够避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引发CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提升CPU的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操做。当对一个共享变量执行操做时，咱们可使用循环CAS的方式来保证原子操做，可是对多个共享变量操做时，循环CAS就没法保证操做的原子性，这个时候就能够用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操做。好比有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，而后用CAS来操做ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你能够把多个变量放在一个对象里来进行CAS操做。

使用锁机制实现原子操做

锁机制保证了只有得到锁的线程可以操做锁定的内存区域。JVM内部实现了不少种锁机制，有偏向锁，轻量级锁和互斥锁，有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用到的循环CAS，当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。详细说明能够参见文章Java SE1.6中的Synchronized。

http://www.infoq.com/cn/articles/java-se-16-synchronized

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