锁的几种概念

悲观锁

总是假设最坏的情况,每次获取数据都认为别人会修改,所以拿数据时会上锁,一直到释放锁不允许其他线程修改数据。Java中如synchronized和reentrantLock就是这种实现。

乐观锁

总是假设最好的情况,每次去拿数据时都认为别人不会修改,所以不上锁,等更新数据时判断一下在此期间是否有其他人更新过这个数据,可以使用CAS算法实现。乐观锁适用于多读少写的应用类型,可以大幅度提高吞吐量。乐观锁的实现机制主要包括版本号机制(给数据加一个版本号,数据被修改版本号会加一,更新时读取版本号,若读取到的版本号和之前一致才更新,否则驳回)和CAS算法(下详)。

自旋锁与互斥锁

多线程互斥访问时会进入锁机制。互斥设计时会面临一个情况:没有获得锁的进程如何处理。通常有两种办法:一种是没有获得锁就阻塞自己,请求OS调度另一个线程上的处理器,即互斥锁;另一种时没有获得锁的调用者就一直循环,直到锁的持有者释放锁,即自旋锁。

自旋锁是一种较低级的保护数据的方式,存在两个问题:递归死锁,即递归调用时试图获得相同的自旋锁。过多占用CPU资源,自旋锁不成功时会持续尝试,通常一个自旋锁会有参数限制尝试次数,超出后放弃time slice,等待一下一轮机会。

但在锁持有者保持锁的时间较短的前提下,选择自旋而非睡眠则大大提高了效率,因而在这种情况下自旋锁效率远高于互斥锁。

CAS

CAS算法

CAS即compare and swap,是一种系统原语,是不可分割的操作系统指令。CAS是一种乐观锁实现。

CAS有三个操作数,内存值V,旧的预期内存值A,要修改的新值B,当且仅当A=V,才将内存值V修改为B,否则不会执行任何操作。一般情况下CAS是一个自旋操作,即不断重试。

CAS开销

CAS是CPU指令集的操作,只有一步的原子操作,所以非常快,CAS的开销主要在于cache miss问题。如图

这是一个8核CPU系统,共有4个管芯,每个管芯中有两个CPU,每个CPU有cache,管芯内有一个互联模块,让管芯的两个核可以互相通信。图中的系统连接模块可以让四个管芯通信。例如,此时CPU0进行一个CAS操作,而该变量所在的缓存线在CPU7的高速缓存中,则流程如下:

  • CPU检查本地缓存,没有找到缓存线。
  • 请求被转发到CPU0和CPU1的互联模块,检查CPU1的本地高速缓存,没有找到缓存线。
  • 请求被转发到系统互联模块,检查其他三个管芯,得知缓存线在CPU6和CPU7所在的管芯中。
  • 请求被转发到CPU6和CPU7的互联模块,检查这两个CPU的高速缓存,在CPU7中找到缓存线。
  • CPU7将缓存线发给互联模块,并刷新自己的缓存线。
  • CPU6和CPU7的互联模块将缓存线发送给系统互联模块。
  • 系统互联模块将缓存线发送给CPU0和CPU1的互联模块。
  • CPU0对高速缓存中的变量执行CAS操作。

Java中的CAS

JDK5增加java.util.concurrent包,其中很多类使用了CAS操作。这些CAS操作基于Unsafe类中的native方法实现:

//第一个参数o为给定对象,offset为对象内存的偏移量,通过这个偏移量迅速定位字段并设置或获取该字段的值,
//expected表示期望值,x表示要设置的值,下面3个方法都通过CAS原子指令执行操作,
//设置成功返回true,否则返回false。
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,long expected,long x);

由于CAS作用的对象在主存里而不是在线程的高速缓存里,CAS操作在Java中需要配合volatile使用。

Java中的CAS主要包含以下几个问题:

  • ABA问题,即变量V初次读时是A值,被赋值时也是A值,但期间变量被赋值成B值,CAS会误认为他从没被修改过。AtomicStampedReference和AtomicMarckableReference类提供了监测ABA问题的能力,其中的compareAndSet方法首先检查当前引用是否等于预期引用,并且当前标志等于预期标志,全部相等则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
  • 循环开销,自旋CAS长时间不成功会给CPU带来非常大的执行开销。若JVM能支持pause命令,效率有一定提升。因为pause命令一方面可以延迟流水线执行命令,使CPU不会消耗过多的执行资源,另一方面可以避免退出循环时由内存顺序冲突引起的CPU流水线被冲突,从而提高CPU的执行效率。
  • 只能保证一个共享变量的原子操作,当操作涉及跨多个共享变量时CAS无效。可用AtomicReference封装多个字段来保证引用对象之间的原子性。

CAS与synchronized

  • 资源竞争少时,synchronized同步锁进行线程阻塞,唤醒切换,用户内核态间切换,浪费额外CPU资源,CAS基于硬件实现,不进入内核,不切换线程,操作自旋几率小,CAS有更高的性能。
  • 资源竞争严重时,CAS自旋概率较大,从而浪费更多的CPU资源,效率低于synchronized。

java.util.concurrent.atomic

jdk1.5提供了一组原子类,由CAS对其实现。其中的类可以分为四组:

  • AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong 基本类型,bool, int, long
  • AtomicIntegerArray,AtomicLongArray,AtomicReferenceArray 数组类型,包括整形数组,长整型数组,引用类型数组
  • AtomicReference,AtomicStampedReference,AtomicMarkableReference AtomicReference为普通的引用类型原子类,AtomicStampedReference在构造方法中加入了stamp(类似时间戳)作为标识,采用自增int作为stamp,在stamp不重复的前提下可以解决ABA问题,AtomicStampedReference可以获知引用被更改了几次。当我们不需要知道引用被更改几次仅需要知道引用是否被更改过,则可以使用AtomicMarkableReference,这个类用boolean变量表示变量是否被更改过。
  • AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicLongFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater 三种原子更新对应类型(int, long, 引用)的更新器,用于对普通类进行原子更新。

其作用为对单一数据的操作实现原子化,无需阻塞代码,但访问两个或两个以上的atomic变量或对单个atomic变量进行2次或2次以上的操作被认为是需要同步的以便这些操作是一个原子操作。

AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference, AtomicStampedReference, AtomicMarkableReference

前四种类型用来处理Boolean,Integer, Long, 对象,后两个类支持的方法和AtomicReference基本一致,仅作用不同。以上类型均包含以下方法:

  • 构造函数,默认值分别为false, 0, 0, null。带参数则参数为初始化数据。
  • set(newValue)和get()方法,常规的设置/读取值,非原子操作。其中set是volatile操作。
  • lazySet(newValue),设置值,原子操作,调用后的一小段时间其他线程可能会读取到旧值。
  • getAndSet(newValue)相当于先使用get再set,但是是一个原子操作。
  • compareAndSet(expectedData, newData),接受两个参数,若atomic内数据和期望数据一致,则将新数据赋值给atomic数据返回true,否则不设置并返回false。
  • weakCompareAndSet(expectedData, newData),与前者类似,但更高效,不同的是可能会返回虚假的失败,不提供排序的保证,最好用于无关于happens-before的程序。

对于AtomicInteger, AtomicLong,还实现了getAndIncrement(), increateAndGet(), getAndDecreate(), decreateAndGet(), addAndGet(delta), getAndAdd(delta)方法,以实现加减法的原子操作。

AtomicIntegerArray, AtomicLongArray, AtomicReferenceArray

这三种类型用于处理数组,常用方法如下:

  • set(index, newValue)和get(index)方法,常规的设置/读取索引对应值,非原子操作。其中set是volatile操作。
  • lazySet(index, newValue),设置索引对应值,原子操作,调用后的一小段时间其他线程可能会读取到旧值。
  • getAndSet(index, newValue)相当于先使用get再set,但是是一个原子操作。
  • compareAndSet(index, expectedData, newData),接受三个参数,索引,期望数据,新数据。若atomic内数据和期望数据一致,则将新数据赋值给atomic数据返回true,否则不设置并返回false。

对于AtomicIntegerArray, AtomicLongArray,还实现了getAndIncrement(index), increateAndGet(index), getAndDecreate(index), decreateAndGet(index), addAndGet(index, delta), getAndAdd(index, delta)方法,以实现加减法的原子操作。

AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicLongFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater

这三种类型用于处理普通对象中某个字段的CAS更新,由于是CAS更新,要求该字段必须是volatile的,常用方法如下:

  • AtomicReferenceFiledUpdater.newUpdater(holderClassName, fieldClassName, fieldNameString):对于普通的引用更新器,创建一个更新器需要以下三个参数:指定的类的类型,类中要更新的字段的类型,该字段的名字。该方法使用反射寻找需要更新的字段,且由于字段是成员变量,需要特别注意要能够访问到字段。对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater,由于已经确定了字段类型,只需要提供指定的类的类型和字段名即可。
  • lazySet(object, newValue),设置值,原子操作,调用后的一小段时间其他线程可能会读取到旧值。
  • getAndSet(object, newValue)相当于先使用get再set,但是是一个原子操作。
  • compareAndSet(object, expectedData, newData),接受两个参数,若atomic内数据和期望数据一致,则将新数据赋值给atomic数据返回true,否则不设置并返回false。

示例操作如下:

User类(由普通类改造成的CAS更新类)

public class User {
private static AtomicReferenceFieldUpdater<User, String> nameUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class, String.class, "name");
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> ageUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
private volatile String name;
private volatile int age; public User(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
} public String getName() {
return name;
} public void setName(String name) {
this.name = name;
} public Integer getAge() {
return age;
} public void setAge(Integer age) {
this.age = age;
} public void lazySetName(String name) {
nameUpdater.lazySet(this, name);
} public String getSetName(String name) {
return nameUpdater.getAndSet(this, name);
} public void compareAndSetName(String exceptedName, String newName) {
nameUpdater.compareAndSet(this, exceptedName, newName);
} public void lazySetAge(int age) {
ageUpdater.lazySet(this, age);
} public Integer getSetAge(int age) {
return ageUpdater.getAndSet(this, age);
} public void compareAndSetAge(int exceptedAge, int newAge) {
ageUpdater.compareAndSet(this, exceptedAge, newAge);
}
}

主程序

public class AtomicTest {
public void run() {
User user = new User("Atomic", 10);
user.compareAndSetName("Atomic", "Ass");
user.compareAndSetAge(10, 11);
System.out.println(user.getName() + user.getAge());
} public static void main(String[] args) throws Exception {
new AtomicTest().run();
}
}

输出结果:

Ass11

参考文献

深入理解CAS算法原理

面试必备之乐观锁与悲观锁

Java之多线程 Atomic(原子的)

对 volatile、compareAndSet、weakCompareAndSet 的一些思考

并发编程面试必备:JUC 中的 Atomic 原子类总结

AtomicReference,AtomicStampedReference与AtomicMarkableReference的区别

JAVA中的CAS

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