并发编程（五）共享模型之无锁

一、问题引出

 

解决思路-锁

 解决思路-无锁

二、CAS 与 volatile

注意：

（1）其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。

         在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

1. 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，让其他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。

2.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：

（1）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。

（2）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。

3.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。

（1）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。

（2）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。

（3）CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发：

        ①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。

        ②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。

三、原子整数

J.U.C 并发包提供了：

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

四、原子引用

J.U.C 并发包提供了：

AtomicReference

AtomicMarkableReference

AtomicStampedReference

1. ABA 问题及解决

 

 主线程仅能判断共享变量的值与最初的值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，如果主线程希望：

只要有其他线程【改动过了】共享变量，那么自己的 CAS 就算失败，这时比较值是不够的，需要加一个版本号。

1.1 AtomicStampedReference

 

1.2 AtomicMarkableReference

 有时候，并不关心引用变量更改了几次，知识单纯的关心是否更改过，所以就有了 AtomicMarkableReference。

五、原子数组

J.U.C 并发包提供了：

AtomicIntegerArray

AtomicLongArray

AtomicReferenceArray

六、字段更新器

J.U.C 并发包提供了：

AtomicReferenceFieldUpdater // 域 字段

AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicLongFieldUpdater

利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常。

七、原子累加器 1. 累加器性能比较

 性能提升的原因很简单，就是在有竞争的时，设置多个累加单元，Thread - 0 累加 Cell[0]，而 Thread - 1 累加 Cell [1] ......最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。

2. 源码之 LongAdder

3. cas 锁

4. 原理之伪共享

因为 CPU 与 内存的速度差异很大，需要靠预读数据至缓存来提升效率。

而缓存以缓存行为单位，每个缓存行对应着一块内存，一般是 64 byte （8 个 long）

缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中。

CPU 要保证数据的一致性，如果某个 CPU 核心更改了数据，其他 CPU 核心对应的整个缓存行必须失效。

5. LongAdder 源码 - add

6. LongAdder 源码 - longAccumulate

放弃，以后再来研究

=。=

7. LongAdder 源码 - sum

八、Unsafe 1. 概述

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法（这些非常的危险），Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获取。

 

2. Unsafe CAS 操作