《Java并发编程实战》第十五章 原子变量与非堵塞同步机制 读书笔记

一、锁的劣势

锁定后假设未释放。再次请求锁时会造成堵塞。多线程调度通常遇到堵塞会进行上下文切换，造成很多其它的开销。

在挂起与恢复线程等过程中存在着非常大的开销，而且通常存在着较长时间的中断。

锁可能导致优先级反转，即使较高优先级的线程能够抢先运行，但仍然须要等待锁被释放，从而导致它的优先级会降至低优先级线程的级别。

二、硬件对并发的支持

处理器填写了一些特殊指令，比如：比較并交换、关联载入/条件存储。

1 比較并交换

CAS的含义是：“我觉得V的值应该为A。假设是。那么将V的值更新为B，否则不须要改动告诉V的值实际为多少”。

CAS是一项乐观锁技术。

模拟CAS操作样例：

@ ThreadSafe
public class SimulatedCAS {
       @ GuardeBy( "this") private int value ;

       public synchronized int get(){
             return value ;
      }

       public synchronized int compareAndSwap( int expectedValue, int newValue){
             int oldValue = value ;
             if (oldValue == expectedValue)
                   value = newValue;
             return oldValue;
      }

       public synchronized boolean compareAndSet( int expectedValue, int newValue){
             return (expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue));
      }
}

2 非堵塞的计数器

基于CAS实现的非堵塞计数器

@ ThreadSafe
public class CasCounter {
       private SimulatedCAS value ;

       public int getValue(){
             return value .get();
      }

       public int increment(){
             int v;
             do {
                  v = value .get();
            } while (v != value .compareAndSwap(v, v + 1));
             return v + 1;
      }
}

CAS的主要缺点是：它将使调度者处理竞争问题（通过重试、回退、放弃），而在使用锁中能自己主动处理竞争问题（线程在获得锁之前将一直堵塞）。

3 JVM对CAS的支持

java.util.concurrent.atomic 类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。

AtomicBoolean 能够用原子方式更新的 boolean 值。
AtomicInteger 能够用原子方式更新的 int 值。
AtomicIntegerArray 能够用原子方式更新其元素的 int 数组。
AtomicIntegerFieldUpdater<T> 基于反射的有用工具，能够对指定类的指定 volatile int 字段进行原子更新。
AtomicLong 能够用原子方式更新的 long 值。

AtomicLongArray 能够用原子方式更新其元素的 long 数组。

AtomicLongFieldUpdater<T> 基于反射的有用工具。能够对指定类的指定 volatile long 字段进行原子更新。
AtomicMarkableReference<V> AtomicMarkableReference 维护带有标记位的对象引用。能够原子方式对其进行更新。
AtomicReference<V> 能够用原子方式更新的对象引用。

AtomicReferenceArray<E> 能够用原子方式更新其元素的对象引用数组。
AtomicReferenceFieldUpdater<T,V> 基于反射的有用工具。能够对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。
AtomicStampedReference<V> AtomicStampedReference 维护带有整数“标志”的对象引用，能够用原子方式对其进行更新。 

三、原子变量类

1 原子变量是一种“更好的volatile”

通过CAS来维持包括多个变量的不变性条件样例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class CasNumberRange {
       private static class IntPair{
             final int lower ; // 不变性条件: lower <= upper
             final int upper ;

             public IntPair( int lower, int upper) {
                   this .lower = lower;
                   this .upper = upper;
            }
      }

       private final AtomicReference<IntPair> values =
                   new AtomicReference<IntPair>( new IntPair(0, 0));

       public int getLower(){
             return values .get(). lower;
      }

       public int getUpper(){
             return values .get(). upper;
      }

       public void setLower( int i){
             while (true ){
                  IntPair oldv = values .get();
                   if (i > oldv.upper ){
                         throw new IllegalArgumentException( "Cant't set lower to " + i + " > upper");
                  }
                  IntPair newv = new IntPair(i, oldv.upper );
                   if (values .compareAndSet(oldv, newv)){
                         return ;
                  }
            }
      }
       // 对setUpper採用相似的方法
}

2 性能比較：锁与原子变量

使用ReentrantLock、AtomicInteger、ThreadLocal比較，通常情况下效率排序是ThreadLocal > AtomicInteger > ReentrantLock。

四、非堵塞算法

1 非堵塞的栈

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class ConcurrentStack<E> {
       private AtomicReference<Node<E>> top = new AtomicReference<ConcurrentStack.Node<E>>();

       public void push(E item){
            Node<E> newHead = new Node<E>(item);
            Node<E> oldHead;

             do {
                  oldHead = top .get();
                  newHead. next = oldHead;
            } while (!top .compareAndSet(oldHead, newHead));
      }

       public E pop(){
            Node<E> oldHead;
            Node<E> newHead;
             do {
                  oldHead = top .get();
                   if (oldHead == null) {
                         return null ;
                  }
                  newHead = oldHead. next ;
            } while (!top .compareAndSet(oldHead, newHead));
             return oldHead.item ;
      }

       private static class Node<E>{
             public final E item;
             public Node<E> next ;

             public Node(E item){
                   this .item = item;
            }
      }
}

2 非堵塞的链表

CAS基本使用模式：在更新某个值时存在不确定性，以及在更新失败时又一次尝试。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

@ ThreadSafe
public class LinkedQueue<E> {
       private static class Node<E>{
             final E item;
             final AtomicReference<Node<E>> next;

             public Node(E item, Node<E> next){
                   this .item = item;
                   this .next = new AtomicReference<Node<E>>(next);
            }
      }

       private final Node<E> dummy = new Node<E>( null , null );
       private final AtomicReference<Node<E>> head =
                                     new AtomicReference<Node<E>>(dummy);
       private final AtomicReference<Node<E>> tail =
                                     new AtomicReference<Node<E>>(dummy);

       public boolean put(E item){
            Node<E> newNode = new Node<E>(item, null);
             while (true ){
                  Node<E> curTail = tail.get();
                  Node<E> tailNext = curTail.next.get();
                   if (curTail == tail.get()){
                         if (tailNext != null){
                               // 队列处于中间状态，推进尾节点
                              tail.compareAndSet(curTail, tailNext);
                        } else {
                               // 处于稳定状态, 尝试插入新节点
                               if (curTail.next.compareAndSet( null, newNode)){
                                     // 插入操作成功，尝试推进尾节点
                                    tail.compareAndSet(curTail, tailNext);
                                     return true ;
                              }
                        }
                  }
            }
      }
}

3 原子的域更新器

原子的域更新器类表示有volatile域的一种基于反射的“视图”，从而可以在已有的volatile域上使用CAS

private static class Node<E>{
             private final E item;
             private volatile Node<E> next;

             public Node(E item){
                   this.item = item;
            }
      }

private static AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Node> nextUpdater
            = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Node.class , Node.class , "next" );

4 ABA问题

处理V的值首先由A变成B。再由B变成A的问题。