【併發編程】Java中的原子操作

什麼是原子操作

原子操作是指一個或者多個不可再分割的操作。這些操作的執行順序不能被打亂,這些步驟也不可以被切割而只執行其中的一部分(不可中斷性)。舉個列子:

//就是一個原子操作
int i = 1;

//非原子操作,i++是一個多步操作,而且是可以被中斷的。
//i++可以被分割成3步,第一步讀取i的值,第二步計算i+1;第三部將最終值賦值給i
i++;

Java中的原子操作

在Java中,我們可以通過同步鎖或者CAS操作來實現原子操作。

CAS操作

CAS是Compare and swap的簡稱,這個操作是硬件級別的操作,在硬件層面保證了操作的原子性。CAS有3個操作數,內存值V,舊的預期值A,要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時,將內存值V修改為B,否則什麼都不做。Java中的sun.misc.Unsafe類提供了compareAndSwapIntcompareAndSwapLong等幾個方法實現CAS。

另外,在jdk的atomic包下面提供了很多基於CAS實現的原子操作類,見下圖:

下面我們就使用其中的AtomicInteger來看看怎麼使用這些原子操作類。

package com.csx.demo.spring.boot.concurrent.atomic;

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

public class AtomicIntegerDemo {

    private static int THREAD_COUNT = 100;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {


        NormalCounter normalCounter = new NormalCounter("normalCounter",0);
        SafeCounter safeCounter = new SafeCounter("safeCounter",0);
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT ; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        normalCounter.add(1);
                        safeCounter.add(1);
                    }
                }
            });
            threadList.add(thread);
        }

        for (Thread thread : threadList) {
            thread.start();
        }
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        System.out.println("normalCounter:"+normalCounter.getCount());
        System.out.println("safeCounter:"+safeCounter.getCount());
    }


    public static class NormalCounter{
        private String name;
        private Integer count;

        public NormalCounter(String name, Integer count) {
            this.name = name;
            this.count = count;
        }

        public void add(int delta){
            this.count = count+delta;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public Integer getCount() {
            return count;
        }

        public void setCount(Integer count) {
            this.count = count;
        }
    }

    public static class SafeCounter{
        private String name;
        private AtomicInteger count;

        public SafeCounter(String name, Integer count) {
            this.name = name;
            this.count = new AtomicInteger(count);
        }

        public void add(int delta){
            count.addAndGet(delta);
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getCount() {
            return count.get();
        }

        public void setCount(Integer count) {
            this.count.set(count);
        }
    }

}

上面的代碼中,我們分別創建了一個普通的計數器和一個原子操作的計數器(使用AtomicInteger進行計數)。然後創建了100個線程,每個線程進行10000次計數。理論上線程執行完之後,計數器的值都是1000000,但是結果如下:

normalCounter:496527
safeCounter:1000000

每次執行,普通計數器的值都是不一樣的,而使用AtomicInteger進行計數的計數器都是1000000。

CAS操作存在的問題

  • ABA問題:因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化,如果沒有發生變化則更新,但是如果一個值原來是A,變成了B,又變成了A,那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化,但是實際上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加上版本號,每次變量更新的時候把版本號加一,那麼A-B-A 就會變成1A-2B-3A。

從Java1.5開始JDK的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用,並且當前標誌是否等於預期標誌,如果全部相等,則以原子方式將該引用和該標誌的值設置為給定的更新值。

  • 循環時間長開銷大:自旋CAS如果長時間不成功,會給CPU帶來非常大的執行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那麼效率會有一定的提升,pause指令有兩個作用,第一它可以延遲流水線執行指令(de-pipeline),使CPU不會消耗過多的執行資源,延遲的時間取決於具體實現的版本,在一些處理器上延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環的時候因內存順序衝突(memory order violation)而引起CPU流水線被清空(CPU pipeline flush),從而提高CPU的執行效率。

  • 只能保證一個共享變量的原子操作:當對一個共享變量執行操作時,我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作,但是對多個共享變量操作時,循環CAS就無法保證操作的原子性,這個時候就可以用鎖,或者有一個取巧的辦法,就是把多個共享變量合併成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量i=2,j=a,合併一下ij=2a,然後用CAS來操作ij。從Java1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性,你可以把多個變量放在一個對象里來進行CAS操作。

使用鎖來保證原子操作

還是以上面的列子為列,普通的計數器我們只需要在計數方法上加鎖就行了:

public synchronized void  add(int delta){
  this.count = count+delta;
}

執行結果如下:

normalCounter:1000000
safeCounter:1000000

兩個計數器都能拿到正確的結果

CPU是怎麼實現原子操作的

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