1. 引子
实现1
package cn.itcast.testcopy;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
public class TestAccount {
public static void main(String[] args) {
Account account = new UnsafeAccount(10000);
Account.demo(account);
}
}
class UnsafeAccount implements Account {
private Integer balance;
public UnsafeAccount(Integer balance) {
this.balance = balance;
}
@Override
public Integer getBalance() {
return balance;
}
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
balance -= amount;
}
}
interface Account {
// 获取余额
Integer getBalance();
// 取款
void withdraw(Integer amount);
/**
* 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
*/
static void demo(Account account) {
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
account.withdraw(10);
}));
}
long start = System.nanoTime();
ts.forEach(Thread::start);
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
long end = System.nanoTime();
System.out.println(account.getBalance()
+ " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
}
}
1000个线程，每个取10元，共一万，没加锁毫无疑问并发运行出错。
class UnsafeAccount implements Account {
private Integer balance;
public UnsafeAccount(Integer balance) {
this.balance = balance;
}
@Override
public Integer getBalance() {
synchronized (this) {
return this.balance;
}
}
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
synchronized (this) {
this.balance -= amount;
}
}
}
方法加锁后正常输出了
实现2
下面采用无锁的方式实现
class UnsafeCas implements Account {
private AtomicInteger balance;
public UnsafeCas(int balance) {
this.balance = new AtomicInteger(balance);
}
@Override
public Integer getBalance() {
return balance.get();
}
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
while (true) {
// 获取余额最新值
int prev = balance.get();
// 要修改的余额
int next = prev - amount;
// 真正修改
if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
}
}
cas的效率比synchronized高。
2. CAS 与 volatile
cas原理
public void withdraw2(Integer amount) {
while (true) {
// 需要不断尝试，直到成功为止
while (true) {
// 比如拿到了旧值 1000
int prev = balance.get();
// 在这个基础上 1000-10 = 990
int next = prev - amount;
/*
compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值- 不一致了，next 作废，
返回 false 表示失败比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990那么本线程的这次 990 就作废了，
进入 while 下次循环重试一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
*/
if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
}
}
volatile
获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
注意
volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）
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.
为什么无锁效率高
无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速... 恢复到高速运行，代价比较大
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。（所以cas需要多核CPU，且线程数最好不要超出CPU核心数，不然就像没跑道，跑多块也没用）。
CAS 的特点
结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。
CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一。但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响。
3. 原子整数
public class Test34 {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger i=new AtomicInteger(5);
System.out.println(i.incrementAndGet());//6
System.out.println(i.getAndIncrement());//先获取6再增加为7，但7不输出
System.out.println(i.getAndAdd(5));//7
System.out.println(i.addAndGet(5));//12
}
}
基于上面几个API可以将引子的例子简化
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
balance.getAndAdd(-1 * amount);
/*while (true) {
// 获取余额最新值
int prev = balance.get();
// 要修改的余额
int next = prev - amount;
// 真正修改
if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}*/
}
只用一行代码就行了。接下来模仿实现一个原子整数的功能。
public class Test34 {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger i=new AtomicInteger(5);
/*System.out.println(i.incrementAndGet());//6
System.out.println(i.getAndIncrement());//先获取6再增加为7，但7不输出
System.out.println(i.getAndAdd(5));//7
System.out.println(i.addAndGet(5));//17*/
//System.out.println(i.updateAndGet(x -> x * 10));
updateAndGet(i);
System.out.println(i.get());
}
private static void updateAndGet(AtomicInteger i) {
while (true){
int prev=i.get();
int next=prev*10;
if (i.compareAndSet(prev,next)){
break;
}
}
}
}
操作写死了，应该用接口
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger i=new AtomicInteger(5);
/*System.out.println(i.incrementAndGet());//6
System.out.println(i.getAndIncrement());//先获取6再增加为7，但7不输出
System.out.println(i.getAndAdd(5));//7
System.out.println(i.addAndGet(5));//17*/
//System.out.println(i.updateAndGet(x -> x * 10));
System.out.println(updateAndGet(i, x -> x * 5));
System.out.println(i.get());
}
private static int updateAndGet(AtomicInteger i,IntUnaryOperator operator) {
while (true){
int prev=i.get();
int next=operator.applyAsInt(prev);
if (i.compareAndSet(prev,next)){
return next;
}
}
}
与源码对比
public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = updateFunction.applyAsInt(prev);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return next;
}
基本一致（除了第一次学程序设计这还是第一次见do-while循环）。
4. 原子引用
为什么需要原子引用类型？
AtomicReference
AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference
还是引子的例子，金额存储改为BigDecimal，这就是原子引用的一种体现
public class Test35{
public static void main(String[] args) {
DecimalAccount.demo(new DecimalCas(new BigDecimal("10000")));
}
}
class DecimalCas implements DecimalAccount {
private AtomicReference<BigDecimal> balance;
public DecimalCas(BigDecimal balance) {
this.balance = new AtomicReference<>(balance);
}
@Override
public BigDecimal getBalance() {
return balance.get();
}
@Override
public void withdraw(BigDecimal amount) {
while (true) {
// 获取余额最新值
BigDecimal prev = balance.get();
// 要修改的余额
BigDecimal next = prev.subtract(amount);
// 真正修改
if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
}
}
interface DecimalAccount {
// 获取余额
BigDecimal getBalance();
// 取款
void withdraw(BigDecimal amount);
/**
* 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
*/
static void demo(DecimalAccount account) {
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
account.withdraw(BigDecimal.TEN);
}));
}
long start = System.nanoTime();
ts.forEach(Thread::start);
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
long end = System.nanoTime();
System.out.println(account.getBalance()
+ " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
}
}
思想都一样
ABA问题
@Slf4j(topic = "c.Test36")
public class Test36 {
static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
log.debug("main start...");
// 获取值 A
// 这个共享变量被它线程修改过？
String prev = ref.get();
other();
Sleeper.sleep(1);
// 尝试改为 C
log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
}
private static void other() {
new Thread(() -> {
log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
}, "t1").start();
Sleeper.sleep(0.5);
new Thread(() -> {
log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
}, "t2").start();
}
}
其实大部分业务并不关心ABA是否为同一个A，只要是A就行但有些业务对A是否被改动过敏感，那么这种方式就不行了，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号