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本章内容

  • CAS 与 volatile
  • 原子整数
  • 原子引用
  • 原子累加器
  • Unsafe

1. 问题提出

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

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package com.java.demo.nolock.problem;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public 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<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        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");
    }
}

原有实现并不是线程安全的

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package com.java.demo.nolock.problem;

import lombok.AllArgsConstructor;

@AllArgsConstructor
public class AccountUnsafe implements Account{

    private Integer balance;



    @Override
    public Integer getBalance() {
        return this.balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        this.balance -= amount;
    }
}

执行测试代码

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public static void main(String[] args) {
        Account account = new AccountUnsafe(10000);
        Account.demo(account);
    }

某次的执行结果

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320 cost: 164 ms

Process finished with exit code 0

为什么不安全

withdraw 方法

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public void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
}

对应的字节码

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ALOAD 0 // <- this
ALOAD 0
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer; // <- this.balance
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I // 拆箱
ALOAD 1 // <- amount
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I // 拆箱
ISUB // 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer; // 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer; // -> this.balance

多线程执行流程

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ALOAD 0 // thread-0 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-0 <- this.balance 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-0 拆箱
ALOAD 1 // thread-0 <- amount 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-0 拆箱
ISUB // thread-0 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf // thread-0 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-0 -> this.balance 
 
 
ALOAD 0 // thread-1 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-1 <- this.balance 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-1 拆箱
ALOAD 1 // thread-1 <- amount 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue // thread-1 拆箱
ISUB // thread-1 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf // thread-1 结果装箱
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance // thread-1 -> this.balance
  • 单核的指令交错
  • 多核的指令交错

解决思路

锁

首先想到的是给 Account 对象加锁

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package com.java.demo.nolock.problem.solution1;

import com.java.demo.nolock.problem.Account;
import lombok.AllArgsConstructor;

@AllArgsConstructor
public class AccountSynchronized implements Account {

    private Integer balance;



    @Override
    public Integer getBalance() {
        synchronized (this){
            return this.balance;
        }
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        synchronized (this){
            this.balance -= amount;
        }
    }
}

某次执行结果

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0 cost: 250 ms

无锁

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package com.java.demo.nolock.problem.solution2;

import com.java.demo.nolock.problem.Account;
import lombok.AllArgsConstructor;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@AllArgsConstructor
public class AccountCas implements Account {

    private AtomicInteger balance;



    @Override
    public Integer getBalance() {
        return this.balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true){
            // 获取余额的最新值
            int prev = balance.get();
            // 要修改的余额
            int next = prev - amount;
            // 真正修改
            if(balance.compareAndSet(prev, next)){
                break;
            }
        }
    }
}

某次的执行结果

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0 cost: 172 ms

2. CAS 与 volatile

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

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 public void withdraw(Integer amount) {
     // 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;
        }
    }
}

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS（也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

CAS

❗注意

  • 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。

慢动作分析

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package com.java.demo.nolock.problem;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@Slf4j(topic = "c.SlowMotion")
public class SlowMotion {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger balance = new AtomicInteger(10000);
        int mainPrev = balance.get();
        log.debug("try get {}", mainPrev);
        new Thread(() -> {
            sleep(1000);
            int prev = balance.get();
            balance.compareAndSet(prev, 9000);
            log.debug(balance.toString());
        }, "t1").start();
        sleep(2000);
        log.debug("try set 8000...");
        boolean isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
        log.debug("is success ? {}", isSuccess);
        if (!isSuccess) {
            mainPrev = balance.get();
            log.debug("try set 8000...");
            isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
            log.debug("is success ? {}", isSuccess);
        }
    }

    private static void sleep(int millis) {
        try {
            Thread.sleep(millis);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

输出结果

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10:36:44 [main] c.SlowMotion - try get 10000
10:36:45 [t1] c.SlowMotion - 9000
10:36:46 [main] c.SlowMotion - try set 8000...
10:36:46 [main] c.SlowMotion - is success ? false
10:36:46 [main] c.SlowMotion - try set 8000...
10:36:46 [main] c.SlowMotion - is success ? true

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。

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

      J.U.C 并发包提供了：
  • AtomicBoolean
  • AtomicInteger
  • AtomicLong
    以 AtomicInteger 为例 
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    package com.java.demo.nolock.atomic;

    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

    public class AtomicIntegerTest {
        public static void main(String[] args) {
            AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
            // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
            System.out.println(i.getAndIncrement());
            // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
            System.out.println(i.incrementAndGet());
            // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
            System.out.println(i.decrementAndGet());
            // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
            System.out.println(i.getAndDecrement());
            // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
            System.out.println(i.getAndAdd(5));
            // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
            System.out.println(i.addAndGet(-5));
            // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
            // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
            System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
            // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
            // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
            System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
            // 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
            // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
            // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
            // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
            System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
            // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
            // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
            System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
        }
    }

4.原子引用

为什么需要原子引用类型？

  • AtomicReference
  • AtomicMarkableReference
  • AtomicStampedReference

    安全实现-使用 CAS

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    package com.java.demo.nolock.problem;

    import java.math.BigDecimal;
    import java.util.ArrayList;
    import java.util.List;

    public interface AccountDecimal {

        // 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(AccountDecimal account) {
            List<Thread> ts = new ArrayList<>();
            long start = System.nanoTime();
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                ts.add(new Thread(() -> {
                    account.withdraw(new BigDecimal(10));
                }));
            }
            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");
        }
    }
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package com.java.demo.nolock.problem.solution3;

import com.java.demo.nolock.problem.AccountDecimal;

import java.math.BigDecimal;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AccountBigDecimal implements AccountDecimal {

    private AtomicReference<BigDecimal> balance;

    public AccountBigDecimal(BigDecimal balance) {
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return this.balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true){
            BigDecimal prev = this.balance.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if(balance.compareAndSet(prev,next)){
                break;
            }
        }
    }
}
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AccountDecimal accountBigDecimal = new AccountBigDecimal(new BigDecimal("10000"));
AccountDecimal.demo(accountBigDecimal);

ABA 问题及解决

ABA 问题

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package com.java.demo.nolock.aba;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

import static java.lang.Thread.sleep;

@Slf4j(topic = "c.ABATest")
public class ABATest {
    static AtomicReference<String> reference = 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 = reference.get();
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", reference.compareAndSet(prev, "C"));
    }

    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", reference.compareAndSet(reference.get(), "B"));
        }, "t1").start();
        sleep(1);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", reference.compareAndSet(reference.get(), "A"));
        }, "t2").start();
    }
}

输出：

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13:20:06 [main] c.ABATest - main start...
13:20:06 [t1] c.ABATest - change A->B true
13:20:06 [t2] c.ABATest - change B->A true
13:20:06 [main] c.ABATest - change A->C true

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 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：
只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号
AtomicStampedReference

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static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 log.debug("main start...");
 // 获取值 A
 String prev = ref.getReference();
 // 获取版本号
 int stamp = ref.getStamp();
 log.debug("版本 {}", stamp);
 // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
 other();
 sleep(1);
 // 尝试改为 C
 log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
}
private static void other() {
 new Thread(() -> {
 log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", 
 ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
 log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
 }, "t1").start();
 sleep(0.5);
 new Thread(() -> {
 log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", 
 ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
 log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
 }, "t2").start();
}

输出为：

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13:40:30 [main] c.AtomicStampedReferenceTest - main start...
13:40:30 [main] c.AtomicStampedReferenceTest - 版本 0
13:40:30 [t1] c.AtomicStampedReferenceTest - change A->B true
13:40:30 [t1] c.AtomicStampedReferenceTest - 更新版本为 1
13:40:30 [t2] c.AtomicStampedReferenceTest - change B->A true
13:40:30 [t2] c.AtomicStampedReferenceTest - 更新版本为 2
13:40:30 [main] c.AtomicStampedReferenceTest - change A->C false

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A ->
C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。
但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了
AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference

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package com.java.demo.nolock.aba.atomicmarkablereference;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;

@AllArgsConstructor
@Data
public class GarbageBag {

    private String desc;
}
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package com.java.demo.nolock.aba.atomicmarkablereference;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

@Slf4j(topic = "c.AtomicMarkableReferenceTest")
public class AtomicMarkableReferenceTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());

        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {}
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}

输出： 

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14:18:41 [main] c.AtomicMarkableReferenceTest - 主线程 start...
14:18:41 [main] c.AtomicMarkableReferenceTest - GarbageBag(desc=装满了垃圾)
14:18:41 [Thread-0] c.AtomicMarkableReferenceTest - 打扫卫生的线程 start...
14:18:41 [Thread-0] c.AtomicMarkableReferenceTest - GarbageBag(desc=空垃圾袋)
14:18:42 [main] c.AtomicMarkableReferenceTest - 主线程想换一只新垃圾袋？
14:18:42 [main] c.AtomicMarkableReferenceTest - 换了么？false
14:18:42 [main] c.AtomicMarkableReferenceTest - GarbageBag(desc=空垃圾袋)

可以注释掉打扫卫生线程代码，再观察输出。

5. 原子数组

  • AtomicIntegerArray
  • AtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray
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package com.java.demo.nolock.atomic;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.function.BiConsumer;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Function;
import java.util.function.Supplier;

public class AutomicArrayTest {

    /**
     参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     参数2，获取数组长度的方法
     参数3，自增方法，回传 array, index
     参数4，打印数组的方法
     */
// supplier 提供者 无中生有 ()->结果
// function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
// consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->
    private static <T> void demo(
            Supplier<T> arraySupplier,
            Function<T, Integer> lengthFun,
            BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
            Consumer<T> printConsumer ) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 每个线程对数组作 10000 次操作
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j%length);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }); // 等所有线程结束
        printConsumer.accept(array);
    }
}

不安全数组

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public static void main(String[] args) {
    demo(
            ()->new int[10],
            (array)->array.length,
            (array, index) -> array[index]++,
            array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
    );
}

输出结果

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[9839, 9811, 9824, 9815, 9801, 9804, 9811, 9830, 9828, 9848]

安全数组

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demo(
                ()->new AtomicIntegerArray(10),
                (array)->array.length(),
                (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
                array-> System.out.println(array)
        );

输出结果

1
[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

6. 字段更新器

  • 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。

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Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type
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package com.java.demo.nolock.atomic;

import lombok.Data;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class AtomicReferenceFieldUpdaterTest {

    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        AtomicReferenceFieldUpdater<Student, String> nameUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
        nameUpdater.compareAndSet(student, null, "奥斯特洛夫斯基");
        AtomicIntegerFieldUpdater<Student> ageUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "age");
        ageUpdater.compareAndSet(student, 0, 10);
        System.out.println(student);
    }
}

@Data
class Student{

    volatile String name;

    volatile int age;
}

输出结果

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Student(name=奥斯特洛夫斯基, age=10)

7. 原子累加器

累加器性能比较

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package com.java.demo.nolock.atomic;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Supplier;

public class LongAdderTest {

    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
        }
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
        }
    }

    private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
        T adder = adderSupplier.get();
        long start = System.nanoTime();
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        // 4 个线程，每人累加 50 万
        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                    action.accept(adder);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(t -> t.start());
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
    }
}

输出结果

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20000000 cost:157
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20000000 cost:87
20000000 cost:405
20000000 cost:499
20000000 cost:523
20000000 cost:507
20000000 cost:570

性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-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。

源码之 LongAdder

LongAdder 是并发大师 @author Doug Lea （大哥李）的作品，设计的非常精巧
LongAdder 类有几个关键域

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// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;
// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;
// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy

CAS 锁

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// 不要用于实践！！！
public class LockCas {
 private AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);
 public void lock() {
 while (true) {
 if (state.compareAndSet(0, 1)) {
 break;
 }
 }
 }
 public void unlock() {
 log.debug("unlock...");
 state.set(0);
 }
}

测试

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public static void main(String[] args) {
    LockCAS lock = new LockCAS();
    new Thread(() -> {
        log.debug("begin...");
        lock.lock();
        try {
            log.debug("lock...");
            sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            throw new RuntimeException(e);
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }).start();
    new Thread(() -> {
        log.debug("begin...");
        lock.lock();
        try {
            log.debug("lock...");
        } finally {
            lock.unlock();
        }
    }).start();
}

输出如下：

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22:27:52 [Thread-1] c.LockCAS - begin...
22:27:52 [Thread-1] c.LockCAS - lock...
22:27:52 [Thread-1] c.LockCAS - unlock...
22:27:52 [Thread-0] c.LockCAS - begin...
22:27:52 [Thread-0] c.LockCAS - lock...
22:27:52 [Thread-0] c.LockCAS - unlock...

原理之伪共享

其中 Cell 即为累加单元 

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// 防止缓存行伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
 volatile long value;
 Cell(long x) { value = x; }
 // 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
 final boolean cas(long prev, long next) {
 return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
 }
 // 省略不重要代码
}

得从缓存说起
缓存与内存的速度比较

伪共享

从 cpu 到 大约需要的时钟周期
寄存器 1 cycle (4GHz 的 CPU 约为0.25ns)
L1 3~4 cycle
L2 10~20 cycle
L3 40~45 cycle
内存 120~240 cycle

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

伪共享

因为 Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，一个 Cell 为 24 字节（16 字节的对象头和 8 字节的 value），因此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象。这样问题来了：

  • Core-0 要修改 Cell[0]
  • Core-1 要修改 Cell[1]

无论谁修改成功，都会导致对方 Core 的缓存行失效，比如 Core-0 中 Cell[0]=6000, Cell[1]=8000 要累加 Cell[0]=6001, Cell[1]=8000 ，这时会让 Core-1 的缓存行失效
@sun.misc.Contended 用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的 padding，从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效

伪共享

累加主要调用下面的方法 

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public void add(long x) {
    // as 为累加单元数组
    // b 为基础值
    // x 为累加值
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    // 进入 if 的两个条件
    // 1. as 有值, 表示已经发生过竞争, 进入 if
    // 2. cas 给 base 累加时失败了, 表示 base 发生了竞争, 进入 if
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        // uncontended 表示 cell 没有竞争
        boolean uncontended = true;
        if (
            // as 还没有创建
                as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                        // 当前线程对应的 cell 还没有
                        (a = as[getProbe() & m]) == null ||
                        // cas 给当前线程的 cell 累加失败 uncontended=false ( a 为当前线程的 cell )
                        !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))
        ) {
            // 进入 cell 数组创建、cell 创建的流程
            longAccumulate(x, null, uncontended);
        }
    }
}

add 流程图

add流程

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final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                              boolean wasUncontended) {
        int h;
        // 当前线程还没有对应的 cell, 需要随机生成一个 h 值用来将当前线程绑定到 cell
        if ((h = getProbe()) == 0) {
            // 初始化 probe
            ThreadLocalRandom.current();
            // h 对应新的 probe 值, 用来对应 cell
            h = getProbe();
            wasUncontended = true;
        }
        // collide 为 true 表示需要扩容
        boolean collide = false;
        for (;;) {
            Cell[] as; Cell a; int n; long v;
            // 已经有了 cells
            if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
                // 还没有 cell
                if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                    // 为 cellsBusy 加锁, 创建 cell, cell 的初始累加值为 x
                    // 成功则 break, 否则继续 continue 循环
                }
                // 有竞争, 改变线程对应的 cell 来重试 cas
                else if (!wasUncontended)
                    wasUncontended = true;
                    // cas 尝试累加, fn 配合 LongAccumulator 不为 null, 配合 LongAdder 为 null
                else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))
                    break;
                    // 如果 cells 长度已经超过了最大长度, 或者已经扩容, 改变线程对应的 cell 来重试 cas
                else if (n >= NCPU || cells != as)
                    collide = false;
                    // 确保 collide 为 false 进入此分支, 就不会进入下面的 else if 进行扩容了
                else if (!collide)
                    collide = true;
                    // 加锁
                else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                    // 加锁成功, 扩容
                    continue;
                }
                // 改变线程对应的 cell
                h = advanceProbe(h);
            }
            // 还没有 cells, 尝试给 cellsBusy 加锁
            else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
                // 加锁成功, 初始化 cells, 最开始长度为 2, 并填充一个 cell
                // 成功则 break;
            }
            // 上两种情况失败, 尝试给 base 累加
            else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x))))
                break;
        }
    }

longAccumulate 流程图

longAccumulate流程图

cell创建

每个线程刚进入 longAccumulate 时，会尝试对应一个 cell 对象（找到一个坑位）

cascell

获取最终结果通过 sum 方法 

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public long sum() {
    Cell[] as = cells; Cell a;
    long sum = base;
    if (as != null) {
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            if ((a = as[i]) != null)
                sum += a.value;
        }
    }
    return sum;
}

8.Unsafe

概述

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得 

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package com.java.demo.nolock.atomic;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class UnsafeAccessor {

    static Unsafe unsafe;
    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
    static Unsafe getUnsafe() {
        return unsafe;
    }
}

Unsafe 无锁操作

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@Data
class Employee {

    volatile int id;

    volatile String name;

}
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package com.java.demo.nolock.atomic;

import jdk.internal.misc.Unsafe;
import lombok.Data;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.lang.reflect.Field;

@Slf4j(topic = "c.UnsafeTest")
public class UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        Unsafe unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        Field id = Employee.class.getDeclaredField("id");
        Field name = Employee.class.getDeclaredField("name");

        // 获得成员变量的偏移量
        long idOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(id);
        long nameOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(name);

        Employee employee = new Employee();
        // 使用 cas 方法替换成员变量的值
        UnsafeAccessor.unsafe.compareAndExchangeInt(employee, idOffset, 0, 20); // 返回 true
        UnsafeAccessor.unsafe.compareAndExchangeObject(employee, nameOffset, null, "张三"); // 返回 true
        log.info(employee.toString());
    }
}

输出结果如下

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11:39:58 [main] c.UnsafeTest - Employee(id=20, name=张三)

在 jdk 11 中使用 jdk.internal.misc.Unsafe 会产生：

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java.lang.UnsupportedOperationException: Reflective setAccessible(true) disabled；
java.lang.IllegalAccessException: class io.netty.util.internal.PlatformDependent0$6 cannot access class jdk.internal.misc.Unsafe (in module java.base) because module java.base does not export jdk.internal.misc to unnamed module @60438a68；

在 vm 参数中添加如下内容即可：

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--add-opens java.base/jdk.internal.misc=ALL-UNNAMED --illegal-access=warn

使用自定义的 AtomicData 实现之前线程安全的原子整数 Account 实现 

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package com.java.demo.nolock.atomic;

import jdk.internal.misc.Unsafe;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

@Slf4j(topic = "c.AtomicData")
public class AtomicData {

    private volatile int data;
    static final Unsafe unsafe;
    static final long DATA_OFFSET;
    static {
        unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        try {
            // data 属性在 DataContainer 对象中的偏移量，用于 Unsafe 直接访问该属性
            DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset(AtomicData.class.getDeclaredField("data"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
    public AtomicData(int data) {
        this.data = data;
    }

    public void decrease(int amount) {
        int oldValue;
        while(true) {
            // 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点，修改 data 调试来加深理解
            oldValue = data;
            // cas 尝试修改 data 为 旧值 + amount，如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
            if (unsafe.compareAndExchangeInt(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - amount) == oldValue) {
                return;
            }
        }
    }
    public int getData() {
        return data;
    }
}

Account 实现

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Account.demo(new Account() {
    AtomicData atomicData = new AtomicData(10000);
    @Override
    public Integer getBalance() {
        return atomicData.getData();
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        atomicData.decrease(amount);
    }
});

输出如下：

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0 cost: 178 ms
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