java并发编程七 无锁解决加锁问题

发布时间:2023年12月22日

问题提出

有如下需求,保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

package cn.onenewcode;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
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

class AccountUnsafe implements Account {
 private Integer balance;
 public AccountUnsafe(Integer balance) {
 this.balance = balance;
    }
    @Override
 public Integer getBalance() {
 return balance;
    }
 @Override
 public void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
    }
 }

执行测试代码

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

某次的执行结果

330 cost: 306 ms 

为什么不安全
withdraw 方法

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

对应的字节码

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

多线程执行流程

// 结果装箱
// -> this.balance
 ALOAD 0                                     // thread-0 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/onenewcode/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/onenewcode/AccountUnsafe.balance    // thread-0 -> this.balance 
ALOAD 0                                     // thread-1 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/onenewcode/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/onenewcode/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

class AccountUnsafe implements Account {
 private Integer balance;
 public AccountUnsafe(Integer balance) {
 this.balance = balance;
    }
 @Override
 public synchronized Integer getBalance() {
 return balance;
    }
 }
 @Override
 public synchronized void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
    }

结果为

0 cost: 399 ms 

解决思路-无锁

class AccountSafe implements Account {
 private AtomicInteger balance;
 public AccountSafe(Integer balance) {
 this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
 @Override
 public Integer getBalance() {
 return balance.get();
    }
 @Override
 public void withdraw(Integer amount) {
 while (true) {
 int prev = balance.get();
 int next = prev - amount;
 // 通过判断前一个和后一个参数是否相同,来判断是否对象是否被更改
 if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
 break;
            }
        }
 // 可以简化为下面的方法
// balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
 }

执行测试代码

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

某次的执行结果

0 cost: 302 ms 

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?

public void withdraw(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;
            }
        }
    }
 }

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。
在这里插入图片描述

慢动作分析

@Slf4j
 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

2023-10-13 11:28:37.134 [main] try get 10000 
2023-10-13 11:28:38.154 [t1] 9000 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? false 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] 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。

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。
    在这里插入图片描述

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
文章来源:https://blog.csdn.net/studycodeday/article/details/135105474
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