多线程(四)--非阻塞同步,CAS 原理分析

一、序言

       前面我们提到的synchronized  等锁机制是一种阻塞同步，虽然它完成了我们的原子性操作，和线程安全，但是这种阻塞同步机制是比较耗费性能的，因为在阻塞和唤醒等状态转换中，是需要CPU指令进行帮忙实现，这要的调度是比较耗时的，因此这种策略是一种悲观策略，当然我们需要线程安全，又要高效，在一定情况下我们会采用非阻塞同步机制。

        

 

二、非阻塞同步

      它的原理机制是基于冲突检测的乐观锁并发策略，简单的理解就是我们先干了再说，如果没有其他线程访问，那么我们的操作就顺利的完成，如果有其他线程访问，并且产生了冲突，那么我们就再来解决冲突。这样就不用把其他线程阻塞，大量的的进行线程状态的切换，这种操作就是非阻塞同步。

 

      2.1 常见的非阻塞同步有：

      a.volatile 变量：轻量级的线程同步，不会引起线程调度，提供可见性，但是不提供原子性

      b.CAS 原子指令：轻量级线程同步，不会引起线程调度，提供可见性和原子性。

      

      2.2 CAS 指令：

      CAS 是建立在“硬件指令集”上来控制原子性的，因为我们要检测和解决多线程的原子性操作，又不想用阻塞机制，那么只能通过机器指令来完成，这里的指令操作应该是比上面锁机制的指令切换快的（我没做过硬件级的测试）。常用的原子指令操作有：

      a.测试并设置(Test-and-Set)

      b.获取并增加(Fetch-and-Increment)

      c.交换(swap)

      d:比较并交换(compare-and-swap,CAS)

      e:加载链接/条件存储（Load-Linked/Stroe-Conditional,LL/SC）

       后面两种是现在计算机常用的，还其他的指令，这里暂时不介绍了。我们知道提高并发性，应使得串行部分达到最大程度的并行，与锁相比，飞阻塞算法机制，是直接操作机器指令，从指令层面协调多线程的竞争，使得线程在竞争公共资源的时候不会发生阻塞，减少了线程调度的开销，因此速度是由于锁的。

        

        2.3 CAS 的实现

        非阻塞线程的实现，以CAS 为例，它需要3个操作数

        a.变量的内存地址 A

        b.变量的旧的预期值 V

        c.变量的新值 B

        在CAS 指令执行时，当V 的值符合A的预期的时候，新值B 才会更新，否则不会更新，这是一个原子操作。比如：A 地址指向V = 1,当一个线程准备更新V的值为B=2 额时候，检测到A 还是指向 V= 1的，那么允许修改，如果修改期间，检测到 A 已经指向 V = 其他值的时候，也就是说被其他线程改了就不会执行更新了。

  

         

三、非阻塞容器

       在JDK 1.5 之后，JAVA 给我们提供了一些非阻塞容器，该操作由sun.misc.Unsafe 类里面的compareAndSwapInt 和 compareAndLong 等几个方法包装，JVM 内部对该方法做了特殊处理，及时编译出来的结果就是平台处理器相关的CAS指令。

        常用的非阻塞算法的容器包括：ConcurrentLinkedQueue，SynchronousQueue，Exchanger 和 ConcurrentSkipListMap，包括J.U.C里面的整数原子类AtomicInteger等。在这里我们用一个简单的例子来尝试该原子类的用法，以及从其源码上分析它如何实现的。

         

	public static AtomicInteger race = new AtomicInteger();
	
	public static void main(String[] args) {
		// 这是自增方法，我们看看如何实现了 类似 i++ 的功能。
		race.incrementAndGet();
	}

 

  public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            // 先获得当前值
            int current = get();
            // 然后计算增加后的值，也就是我们的预期值
            int next = current + 1;
            // 然后预期值和 当前值进行比较（看下面）
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

  public final int get() {
        return value;
    }

// 这里是通过当前类在内存中的值,valueOffset,
// 期望的值expect，需要更新的值update
// 进行比较，如果valueOffset 表示的值，和当前except 值等，那么我们执行修改，
// 否则表示已经被其他线程更改了，不执行，循环继续。
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
	return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

 

    关于valueOffset 的值的取得，是通过Unsafe.getUnsafe()获得实例的 objectFieldOffset 方法获得的，是native 方法，JAVA 仅仅允许启动类加载(Bootstrap ClassLoader) 的类才能访问，反射也可以的，这是它内部代码：

      

 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
      try {
        // 这里可以定位当前类字段value在内存中的值
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

   关于Unsafe 的源码可参考：http://www.docjar.com/html/api/sun/misc/Unsafe.java.html

 

   3.1 CAS 的ABA 问题：

         从上面CAS 的原理分析，假设变量i 的原始值是i=5,A 线程通过get() 方法，获取值等于V，然后这时候B线程用同样的方式获得V，然后改成了6,(中途可能被其他使用)，然后又改回成5.这时候 A线程去判断的时候，发现内存值还是5，说明没有改变，就执行更新。但是我们发现 在中途其实已经改变过了，又改变回来了而已，这就是ABA 问题。

          当然ABA 问题，表面上上不会影响你的业务逻辑，但是在有些情况下，发生这种中途 “调包” 的事情，还是会有影响。解决类似的问题的办法一般是加个版本号，更新了版本加1，每次比较的之后还要对版本进行比较，在JDK 里面是通过院子引用类“AtomicStampedReference” 进行处理的，具体的原理，我也没去看！

 

小结：

        1.非阻塞同步，是通过底层指令，通过比较 交换等操作，保证变量安全。它的算法其实比较复杂的，这里仅仅对原子类进行分析，介绍了CAS 的原理，像上面提到的各种集合类等等，以后再介绍吧。

        2.非阻塞算法种类有很多，我在并发实践上看，还有CAS2或者CASX操作的。但是这些 都没做介绍，关于这块的使用，虽说在一定程度上代替了锁机制，但是我认为仅仅能代替简单类型的变化操作，复杂的还是得用锁机制 以及 复杂的算法。