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[Java学习] 浅谈Java中的atomic包实现原理及应用

发表于 2018-1-5 08:00:00

1.同步问题的提出

假设我们使用一个双核处理器执行A和B两个线程,核1执行A线程,而核2执行B线程,这两个线程现在都要对名为obj的对象的成员变量i进行加1操作,假设i的初始值为0,理论上两个线程运行后i的值应该变成2,但实际上很有可能结果为1。

我们现在来分析原因,这里为了分析的简单,我们不考虑缓存的情况,实际上有缓存会使结果为1的可能性增大。A线程将内存中的变量i读取到核1算数运算单元中,然后进行加1操作,再将这个计算结果写回到内存中,因为上述操作不是原子操作,只要B线程在A线程将i增加1的值写回到内存之前,读取了内存中i的值(此时i值为0),那么一定就会出现i的结果为1。因为A和B线程读取的i的值都为0,两个线程对它加1后的值都为1,两个线程先后将1写入到变量i中,也就是说i被两次写入的值都为1。

最通常的解决方法是两个线程中对i加1的代码用synchronize关键字对obj对象加锁。今天我们介绍一种新的解决方案,即使用Atomic包中的相关类来解决。

2.Atomic在硬件上的支持

在单处理器系统(UniProcessor)中,能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作",因为中断只能发生于指令之间(因为线程的调度需要通过中断完成)。这也是某些CPU指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。在对称多处理器(SymmetricMulti-Processor)结构中就不同了,由于系统中有多个处理器在独立地运行,即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。

在x86平台上,CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCKpin,如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK",经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCKpin的电位拉低,持续到这条指令结束时放开,从而把总线锁住,这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了,保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。当然,并不是所有的指令前面都可以加lock前缀的,只有ADD,ADC,AND,BTC,BTR,BTS,CMPXCHG,DEC,INC,NEG,NOT,OR,SBB,SUB,XOR,XADD,和XCHG指令前面可以加"LOCK"指令,实现原子操作。

Atomic的核心操作就是CAS(compareandset,利用CMPXCHG指令实现,它是一个原子指令),该指令有三个操作数,变量的内存值V(value的缩写),变量的当前预期值E(exception的缩写),变量想要更新的值U(update的缩写),当内存值和当前预期值相同时,将变量的更新值覆盖内存值,执行伪代码如下。

  1. if(V == E){
  2. V = U
  3. return true
  4. }else{
  5. return false
  6. }
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现在我们就用CAS操作来解决上述问题。B线程将内存中的变量i读取一个临时变量中(假设此时读取的值为0),然后再将i的值读取到core1的算数运算单元中,接下来进行加1操作,比较临时变量中的值和i当前的值是否相同,如果相同用运算单元中的结果(即i+1)的值覆盖内存中i的值(注意这一部分就是CAS操作,它是个原子操作,不能被中断且其它线程中的CAS操作不能同时执行),否则指令执行失败。如果指令失败,说明A线程已经将i的值加1。由此可知如果两个线程一开始读取的i的值为都为0,那么必然只有一个线程的CAS操作能够成功,因为CAS操作不能并发执行。对于CAS操作执行失败的线程,只要循环执行CAS操作,那么一定能够成功。可以看到并没有线程阻塞,这和synchronize的原理有着本质的不同。

3.Atomic包简介及源码分析

Atomic包中的类基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时对单个(包括基本类型及引用类型)变量进行操作时,具有排他性,即当多个线程同时对该变量的值进行更新时,仅有一个线程能成功,而未成功的线程可以向自旋锁一样,继续尝试,一直等到执行成功。

Atomic系列的类中的核心方法都会调用unsafe类中的几个本地方法。我们需要先知道一个东西就是Unsafe类,全名为:sun.misc.Unsafe,这个类包含了大量的对C代码的操作,包括很多直接内存分配以及原子操作的调用,而它之所以标记为非安全的,是告诉你这个里面大量的方法调用都会存在安全隐患,需要小心使用,否则会导致严重的后果,例如在通过unsafe分配内存的时候,如果自己指定某些区域可能会导致一些类似C++一样的指针越界到其他进程的问题。

Atomic包中的类按照操作的数据类型可以分成4组

AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong

线程安全的基本类型的原子性操作

AtomicIntegerArray,AtomicLongArray,AtomicReferenceArray

线程安全的数组类型的原子性操作,它操作的不是整个数组,而是数组中的单个元素

AtomicLongFieldUpdater,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater

基于反射原理对象中的基本类型(长整型、整型和引用类型)进行线程安全的操作

AtomicReference,AtomicMarkableReference,AtomicStampedReference

线程安全的引用类型及防止ABA问题的引用类型的原子操作

我们一般常用的AtomicInteger、AtomicReference和AtomicStampedReference。现在我们来分析一下Atomic包中AtomicInteger的源代码,其它类的源代码在原理上都比较类似。

1.有参构造函数

  1. public AtomicInteger(int initialValue) {
  2. value = initialValue;
  3. }
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从构造函数函数可以看出,数值存放在成员变量value中

  1. private volatile int value;
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成员变量value声明为volatile类型,说明了多线程下的可见性,即任何一个线程的修改,在其它线程中都会被立刻看到

2.compareAndSet方法(value的值通过内部this和valueOffset传递)

  1. public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  2. return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
  3. }
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这个方法就是最核心的CAS操作

3.getAndSet方法,在该方法中调用了compareAndSet方法

  1. public final int getAndSet(int newValue) {
  2. for (;;) {
  3. int current = get();
  4. if (compareAndSet(current, newValue))
  5. return current;
  6. }
  7. }
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如果在执行if(compareAndSet(current,newValue)之前其它线程更改了value的值,那么导致value的值必定和current的值不同,compareAndSet执行失败,只能重新获取value的值,然后继续比较,直到成功。

4.i++的实现

  1. public final int getAndIncrement() {
  2. for (;;) {
  3. int current = get();
  4. int next = current + 1;
  5. if (compareAndSet(current, next))
  6. return current;
  7. }
  8. }
复制代码

5. ++i的实现

  1. public final int incrementAndGet() {
  2. for (;;) {
  3. int current = get();
  4. int next = current + 1;
  5. if (compareAndSet(current, next))
  6. return next;
  7. }
  8. }
复制代码

4.使用AtomicInteger例子

下面的程序,利用AtomicInteger模拟卖票程序,运行结果中不会出现两个程序卖了同一张票,也不会卖到票为负数

  1. package javaleanning;
  2. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
  3. public class SellTickets {
  4. AtomicInteger tickets = new AtomicInteger(100);
  5. class Seller implements Runnable{
  6. @Override
  7. public void run() {
  8. while(tickets.get() > 0){
  9. int tmp = tickets.get();
  10. if(tickets.compareAndSet(tmp, tmp-1)){
  11. System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+tmp);
  12. }
  13. }
  14. }
  15. }
  16. public static void main(String[] args) {
  17. SellTickets st = new SellTickets();
  18. new Thread(st.new Seller(), "SellerA").start();
  19. new Thread(st.new Seller(), "SellerB").start();
  20. }
  21. }
复制代码

5.ABA问题

上述的例子运行结果完全正确,这是基于两个(或多个)线程都是向同一个方向对数据进行操作,上面的例子中两个线程都是是对tickets进行递减操作。再比如,多个线程对一个共享队列都进行对象的入列操作,那么通过AtomicReference类也可以得到正确的结果(AQS中维护的队列其实就是这个情况),但是多个线程即可以入列也可以出列,也就是数据的操作方向不一致,那么可能出现ABA的情况。

我们现在拿一个比较好理解的例子来解释ABA问题,假设有两个线程T1和T2,这两个线程对同一个栈进行出栈和入栈的操作。

我们使用AtomicReference定义的tail来保存栈顶位置

  1. AtomicReference<T> tail;
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假设T1线程准备出栈,对于出栈操作我们只需要将栈顶位置由sp通过CAS操作更新为newSP即可,如图1所示。但是在T1线程执行tail.compareAndSet(sp,newSP)之前系统进行了线程调度,T2线程开始执行。T2执行了三个操作,A出栈,B出栈,然后又将A入栈。此时系统又开始调度,T1线程继续执行出栈操作,但是在T1线程看来,栈顶元素仍然为A,(即T1仍然认为B还是栈顶A的下一个元素),而实际上的情况如图2所示。T1会认为栈没有发生变化,所以tail.compareAndSet(sp,newSP)执行成功,栈顶指针被指向了B节点。而实际上B已经不存在于堆栈中,T1将A出栈后的结果如图3所示,这显然不是正确的结果。

6.ABA问题的解决方法

使用AtomicMarkableReference,AtomicStampedReference。使用上述两个Atomic类进行操作。他们在实现compareAndSet指令的时候除了要比较当对象的前值和预期值以外,还要比较当前(操作的)戳值和预期(操作的)戳值,当全部相同时,compareAndSet方法才能成功。每次更新成功,戳值都会发生变化,戳值的设置是由编程人员自己控制的。

  1. public Boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference,
  2. int expectedStamp,int newStamp) {
  3. Pair<V> current = pair;
  4. return expectedReference == current.reference &&
  5. expectedStamp == current.stamp &&
  6. ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) ||
  7. casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
  8. }
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这时的compareAndSet方法需要四个参数expectedReference,newReference,expectedStamp,newStamp,我们在使用这个方法时要保证期望的戳值和要更新戳值不能一样,通常newStamp=expectedStamp+1

还拿上述的例子

假设线程T1在弹栈之前:sp指向A,戳值为100。

线程T2执行:将A出栈后,sp指向B,戳值变为101,

B出栈后,sp指向C,戳值变为102,

A入栈后,sp指向A,戳值变为103,

线程T1继续执行compareAndSet语句,发现sp虽然还是指向A,但是戳值的预期值100和当前值103不同,所以compareAndSet失败,需要从新获取newSP的值(此时newSP就会指向C),以及戳的预期值103,然后再次进行compareAndSet操作,这样A成功出栈,sp会指向C。

注意,由于compareAndSet只能一次改变一个值,无法同时改变newReference和newStamp,所以在实现的时候,在内部定义了一个类Pair类将newReference和newStamp变成一个对象,进行CAS操作的时候,实际上是对Pair对象的操作

  1. private static class Pair<T> {
  2. final T reference;
  3. final int stamp;
  4. private Pair(T reference, int stamp) {
  5. this.reference = reference;
  6. this.stamp = stamp;
  7. }
  8. static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
  9. return new Pair<T>(reference, stamp);
  10. }
  11. }
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对于AtomicMarkableReference而言,戳值是一个布尔类型的变量,而AtomicStampedReference中戳值是一个整型变量。

总结

以上就是本文关于浅谈Java中的atomic包实现原理及应用的全部内容,希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题,如有不足之处,欢迎留言指出。



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