无锁
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21 分钟

无锁

1. CAS

1.1 原理

无锁编程：Lock Free

CAS 的全称是 Compare-And-Swap，是 CPU 并发原语

  • CAS 并发原语体现在 Java 语言中就是 sun.misc.Unsafe 类的各个方法，调用 UnSafe 类中的 CAS 方法，JVM 会实现出 CAS 汇编指令，这是一种完全依赖于硬件的功能，实现了原子操作
  • CAS 是一种系统原语，原语属于操作系统范畴，是由若干条指令组成 ，用于完成某个功能的一个过程，并且原语的执行必须是连续的，执行过程中不允许被中断，所以 CAS 是一条 CPU 的原子指令，不会造成数据不一致的问题，是线程安全的

底层原理：CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核和多核 CPU 下都能够保证比较交换的原子性

  • 程序是在单核处理器上运行，会省略 lock 前缀，单处理器自身会维护处理器内的顺序一致性，不需要 lock 前缀的内存屏障效果

  • 程序是在多核处理器上运行，会为 cmpxchg 指令加上 lock 前缀。当某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会执行总线锁定或缓存锁定，将修改的变量写入到主存，这个过程不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的原子性

作用：比较当前工作内存中的值和主物理内存中的值，如果相同则执行规定操作，否则继续比较直到主内存和工作内存的值一致为止

CAS 特点：

  • CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，线程不会陷入阻塞，线程不需要频繁切换状态（上下文切换，系统调用）
  • CAS 是基于乐观锁的思想

CAS 缺点：

  • 执行的是循环操作，如果比较不成功一直在循环，最差的情况某个线程一直取到的值和预期值都不一样，就会无限循环导致饥饿，使用 CAS 线程数不要超过 CPU 的核心数，采用分段 CAS 和自动迁移机制
  • 只能保证一个共享变量的原子操作
    • 对于一个共享变量执行操作时，可以通过循环 CAS 的方式来保证原子操作
    • 对于多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候只能用锁来保证原子性
  • 引出来 ABA 问题

1.2 乐观锁

CAS 与 synchronized 对比：

  • synchronized 是从悲观的角度出发：总是假设最坏的情况，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会阻塞（共享资源每次只给一个线程使用，其它线程阻塞，用完后再把资源转让给其它线程），因此 synchronized 也称之为悲观锁，ReentrantLock 也是一种悲观锁，性能较差
  • CAS 是从乐观的角度出发：总是假设最好的情况，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据。如果别人修改过，则获取现在最新的值，如果别人没修改过，直接修改共享数据的值，CAS 这种机制也称之为乐观锁，综合性能较好

2. Atomic

2.1 常用API

常见原子类：AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong

构造方法：

  • public AtomicInteger()：初始化一个默认值为 0 的原子型 Integer
  • public AtomicInteger(int initialValue)：初始化一个指定值的原子型 Integer

常用API：

方法 作用
public final int get() 获取 AtomicInteger 的值
public final int getAndIncrement() 以原子方式将当前值加 1，返回的是自增前的值
public final int incrementAndGet() 以原子方式将当前值加 1，返回的是自增后的值
public final int getAndSet(int value) 以原子方式设置为 newValue 的值，返回旧值
public final int addAndGet(int data) 以原子方式将输入的数值与实例中的值相加并返回
实例：AtomicInteger 里的 value

2.2 原理分析

AtomicInteger 原理：自旋锁 + CAS 算法

CAS 算法：有 3 个操作数（内存值 V， 旧的预期值 A，要修改的值 B）

  • 当旧的预期值 A == 内存值 V 此时可以修改，将 V 改为 B
  • 当旧的预期值 A != 内存值 V 此时不能修改，并重新获取现在的最新值，重新获取的动作就是自旋

分析 getAndSet 方法：

  • AtomicInteger：

    public final int getAndSet(int newValue) {
  /**
  * this:       当前对象
  * valueOffset:    内存偏移量，内存地址
  */
  return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}

    valueOffset：偏移量表示该变量值相对于当前对象地址的偏移，Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据

    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
              (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
//调用本地方法   -->
public native long objectFieldOffset(Field var1);

  • unsafe 类：

    // val1: AtomicInteger对象本身，var2: 该对象值得引用地址，var4: 需要变动的数
public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
  int var5;
  do {
      // var5: 用 var1 和 var2 找到的内存中的真实值
      var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
  } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

  return var5;
}

    var5：从主内存中拷贝到工作内存中的值（每次都要从主内存拿到最新的值到本地内存），然后执行 compareAndSwapInt() 再和主内存的值进行比较，假设方法返回 false，那么就一直执行 while 方法，直到期望的值和真实值一样，修改数据

  • 变量 value 用 volatile 修饰，保证了多线程之间的内存可见性，避免线程从工作缓存中获取失效的变量

    private volatile int value

    CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现比较并交换的效果

分析 getAndUpdate 方法：

  • getAndUpdate：

    public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) {
  int prev, next;
  do {
      prev = get(); //当前值，cas的期望值
      next = updateFunction.applyAsInt(prev);//期望值更新到该值
  } while (!compareAndSet(prev, next));//自旋
  return prev;
}

    函数式接口：可以自定义操作逻辑

    AtomicInteger a = new AtomicInteger();
a.getAndUpdate(i -> i + 10);

  • compareAndSet：

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  /**
  * this:       当前对象
  * valueOffset:    内存偏移量，内存地址
  * expect:     期望的值
  * update:         更新的值
  */
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

2.3 原子引用

原子引用：对 Object 进行原子操作，提供一种读和写都是原子性的对象引用变量

原子引用类：AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference

AtomicReference 类：

  • 构造方法：AtomicReference<T> atomicReference = new AtomicReference<T>()

  • 常用 API：

    • public final boolean compareAndSet(V expectedValue, V newValue)：CAS 操作
    • public final void set(V newValue)：将值设置为 newValue
    • public final V get()：返回当前值
public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student(33, "z3");

        // 创建原子引用包装类
        AtomicReference<Student> atomicReference = new AtomicReference<>();
        // 设置主内存共享变量为s1
        atomicReference.set(s1);

        // 比较并交换，如果现在主物理内存的值为 z3，那么交换成 l4
        while (true) {
            Student s2 = new Student(44, "l4");
            if (atomicReference.compareAndSet(s1, s2)) {
                break;
            }
        }
        System.out.println(atomicReference.get());
    }
}

class Student {
    private int id;
    private String name;
    //。。。。
}

2.4 原子数组

原子数组类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

AtomicIntegerArray 类方法：

/**
*   i       the index
* expect    the expected value
* update    the new value
*/
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
    return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}

2.5 原子更新器

原子更新器类：AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater

利用字段更新器，可以针对对象的某个域（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 IllegalArgumentException: Must be volatile type

常用 API：

  • static <U> AtomicIntegerFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> c, String fieldName)：构造方法
  • abstract boolean compareAndSet(T obj, int expect, int update)：CAS
public class UpdateDemo {
    private volatile int field;

    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater
                    .newUpdater(UpdateDemo.class, "field");
        UpdateDemo updateDemo = new UpdateDemo();
        fieldUpdater.compareAndSet(updateDemo, 0, 10);
        System.out.println(updateDemo.field);//10
    }
}

2.6 原子累加器

原子累加器类：LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator

LongAdder 和 LongAccumulator 区别：

相同点：

  • LongAddr 与 LongAccumulator 类都是使用非阻塞算法 CAS 实现的
  • LongAddr 类是 LongAccumulator 类的一个特例，只是 LongAccumulator 提供了更强大的功能，可以自定义累加规则，当accumulatorFunction 为 null 时就等价于 LongAddr

不同点：

  • 调用 casBase 时，LongAccumulator 使用 function.applyAsLong(b = base, x) 来计算，LongAddr 使用 casBase(b = base, b + x)

  • LongAccumulator 类功能更加强大，构造方法参数中

    • accumulatorFunction 是一个双目运算器接口，可以指定累加规则，比如累加或者相乘，其根据输入的两个参数返回一个计算值，LongAdder 内置累加规则
    • identity 则是 LongAccumulator 累加器的初始值，LongAccumulator 可以为累加器提供非0的初始值，而 LongAdder 只能提供默认的 0

3. LongAdder

3.1 优化机制

LongAdder 是 Java8 提供的类，跟 AtomicLong 有相同的效果，但对 CAS 机制进行了优化，尝试使用分段 CAS 以及自动分段迁移的方式来大幅度提升多线程高并发执行 CAS 操作的性能

CAS 底层实现是在一个循环中不断地尝试修改目标值，直到修改成功。如果竞争不激烈修改成功率很高，否则失败率很高，失败后这些重复的原子性操作会耗费性能（导致大量线程空循环，自旋转）

优化核心思想：数据分离，将 AtomicLong 的单点的更新压力分担到各个节点，空间换时间，在低并发的时候直接更新，可以保障和 AtomicLong 的性能基本一致，而在高并发的时候通过分散减少竞争，提高了性能

分段 CAS 机制：

  • 在发生竞争时，创建 Cell 数组用于将不同线程的操作离散（通过 hash 等算法映射）到不同的节点上
  • 设置多个累加单元（会根据需要扩容，最大为 CPU 核数），Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加 Cell[1] 等，最后将结果汇总
  • 在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能

自动分段迁移机制：某个 Cell 的 value 执行 CAS 失败，就会自动寻找另一个 Cell 分段内的 value 值进行 CAS 操作

3.2 伪共享

Cell 为累加单元：数组访问索引是通过 Thread 里的 threadLocalRandomProbe 域取模实现的，这个域是 ThreadLocalRandom 更新的

// Striped64.Cell
@sun.misc.Contended static final class Cell {
    volatile long value;
    Cell(long x) { value = x; }
    // 用 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
    final boolean cas(long prev, long next) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
    }
    // 省略不重要代码
}

Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，64 位系统中，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），每一个 cache line 为 64 字节，因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象，当 Core-0 要修改 Cell[0]、Core-1 要修改 Cell[1]，无论谁修改成功都会导致当前缓存行失效，从而导致对方的数据失效，需要重新去主存获取，影响效率

image-20240126143441213

@sun.misc.Contended：防止缓存行伪共享，在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的 padding，使用 2 倍于大多数硬件缓存行让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样就不会造成对方缓存行的失效

image-20240126143542232

4. ABA

ABA 问题：当进行获取主内存值时，该内存值在写入主内存时已经被修改了 N 次，但是最终又改成原来的值

其他线程先把 A 改成 B 又改回 A，主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况，这时 CAS 虽然成功，但是过程存在问题

  • 构造方法：

    • public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp)：初始值和初始版本号

  • 常用API：

    • public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)：期望引用和期望版本号都一致才进行 CAS 修改数据
    • public void set(V newReference, int newStamp)：设置值和版本号
    • public V getReference()：返回引用的值
    • public int getStamp()：返回当前版本号
public static void main(String[] args) {
    AtomicStampedReference<Integer> atomicReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);
    int startStamp = atomicReference.getStamp();
    new Thread(() ->{
        int stamp = atomicReference.getStamp();
        atomicReference.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
        stamp = atomicReference.getStamp();
        atomicReference.compareAndSet(101, 100, stamp, stamp + 1);
    },"t1").start();

    new Thread(() ->{
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        if (!atomicReference.compareAndSet(100, 200, startStamp, startStamp + 1)) {
            System.out.println(atomicReference.getReference());//100
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "线程修改失败");
        }
    },"t2").start();
}

5. Unsafe

Unsafe 是 CAS 的核心类，由于 Java 无法直接访问底层系统，需要通过本地（Native）方法来访问

Unsafe 类存在 sun.misc 包，其中所有方法都是 native 修饰的，都是直接调用操作系统底层资源执行相应的任务，基于该类可以直接操作特定的内存数据，其内部方法操作类似 C 的指针

模拟实现原子整数：

public static void main(String[] args) {
    MyAtomicInteger atomicInteger = new MyAtomicInteger(10);
    if (atomicInteger.compareAndSwap(20)) {
        System.out.println(atomicInteger.getValue());
    }
}

class MyAtomicInteger {
    private static final Unsafe UNSAFE;
    private static final long VALUE_OFFSET;
    private volatile int value;

    static {
        try {
            //Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe()这样会报错，需要反射获取
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
            // 获取 value 属性的内存地址，value 属性指向该地址，直接设置该地址的值可以修改 value 的值
            VALUE_OFFSET = UNSAFE.objectFieldOffset(
                           MyAtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
            throw new RuntimeException();
        }
    }

    public MyAtomicInteger(int value) {
        this.value = value;
    }
    public int getValue() {
        return value;
    }

    public boolean compareAndSwap(int update) {
        while (true) {
            int prev = this.value;
            int next = update;
            //                          当前对象  内存偏移量    期望值 更新值
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, VALUE_OFFSET, prev, update)) {
                System.out.println("CAS成功");
                return true;
            }
        }
    }
}
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🖋 作者：Enndfp
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