转自：https://www.jb51.net/article/92362.htm
无锁类的原理详解
1.1 CAS
CAS算法的过程是：它包含3个参数CAS(V,E,N)。V表示要更新的变量，E表示预期，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即时没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。
CAS的步骤太多，有没有可能在判断V和E相同后，正要赋值时，切换了线程，更改了值。造成了数据不一致呢？
事实上，这个是多余的。CAS整一个操作过程是一个原子操作，它是由一条CPU指令完成的。
1.2 CPU指令
if(accumulator == Destination) {
ZF = 1;
Destination = Source;
}
else {
ZF = 0;
accumulator = Destination;
}
1.3 无所类的使用
无锁比阻塞效率要高得多。来看看Java是如何实现这些无锁类的。
AtomicInteger
AtomicInteger和Integer一样，都继承与Number类
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable
AtomicInteger里面有很多CAS操作，典型的有：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
解释一下unsafe.compareAndSwapInt方法，他的意思是，对于this这个类上的偏移量为valueOffset的变量值如果与期望值expect相同，那么把这个变量的值设为update。
其实偏移量为valueOffset的变量就是value
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
此前说过，CAS是有可能会失败的，但是失败的代价是很小的，所以一般的实现都是在一个无限循环体内，直到成功为止。
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
Unsafe
从类名就可知，Unsafe操作是非安全的操作，比如：
根据偏移量设置值（在刚刚介绍的AtomicInteger中已经看到了这个功能）
park()（把这个线程停下来）
底层的CAS操作
非公开API，在不同版本的JDK中，可能有较大差异
AtomicReference
前面已经提到了AtomicInteger，当然还有AtomicBoolean，AtomicLong等等，都大同小异。
这里要介绍的是AtomicReference。
AtomicReference是一种模板类
public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable
它可以用来封装任意类型的数据。
比如String
public class TestAtomicReference {
public final static AtomicReference<String> atomicString = new AtomicReference<String>("hosee");
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
final int num = i;
new Thread(){
public void run(){
try{
Thread.sleep((int) Math.abs(Math.random()*100));
}catch (Exception e){
e.printStackTrace();
}
if(atomicString.compareAndSet("hosee","ztk")){
System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"Change value");
}else {
System.out.println(Thread.currentThread().getId()+"Failed");
}
}
}.start();
}
}}
控制台输出：
C:\JDK_1.8\jdk\bin\java.exe "-javaagent:C:\idea-install\IntelliJ IDEA 2019.2\lib\idea_rt.jar=54610:C:\idea-install\IntelliJ IDEA 2019.2\bin" -Dfile.encoding=GBK -classpath C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\charsets.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\deploy.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\access-bridge-64.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\cldrdata.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\dnsns.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\jaccess.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\jfxrt.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\localedata.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\nashorn.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\sunec.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\sunjce_provider.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\sunmscapi.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\sunpkcs11.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\ext\zipfs.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\javaws.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\jce.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\jfr.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\jfxswt.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\jsse.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\management-agent.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\plugin.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\resources.jar;C:\JDK_1.8\jdk\jre\lib\rt.jar;C:\idea-workspace\idea_workspace_one\ConcurrentTest\out\production\ConcurrentSkill com.mju.concurrenTest.unlock.TestAtomicReference
15Change value
19Failed
14Failed
17Failed
18Failed
13Failed
11Failed
20Failed
16Failed
12Failed
Process finished with exit code 0
可以看到只有一个线程能够修改值，并且后面的线程都不能再修改。
AtomicStampedReference
会发现CAS操作还是有一个问题的
比如之前的AtomicInteger的incrementAndGet方法
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
假设当前value=1当某线程int current = get()执行后，切换到另一个线程，这个线程将1变成了2，然后又一个线程将2又变成了1。此时再切换到最开始的那个线程，由于value仍等于1，所以还是能执行CAS操作，当然加法是没有问题的，如果有些情况，对数据的状态敏感时，这样的过程就不被允许了。
此时就需要AtomicStampedReference类。
其内部实现一个Pair类来封装值和时间戳。
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
这个类的主要思想是加入时间戳来标识每一次改变。
比较设置 参数依次为：期望值 写入新值 期望时间戳 新时间戳
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
当期望值等于当前值，并且期望时间戳等于现在的时间戳时，才写入新值，并且更新新的时间戳。
这里举个用AtomicStampedReference的场景，可能不太适合，但是想不到好的场景了。
场景背景是，某公司给余额少的用户免费充值，但是每个用户只能充值一次。
/**
- @author Allen李
- @date
-
如果使用AtomicReference<Integer>或者 AtomicInteger来实现就会造成多次充值。
*/
public class TestAtomicStampedReference {
static AtomicStampedReference<Integer> money = new AtomicStampedReference<Integer>(19,0);
public static void main(String[] args) {
//模拟多个线程同时更新后台数据库，为用户充值
for (int i = 0; i < 3; i++) {
final int timestamp = money.getStamp();
new Thread(){
public void run(){
while (true){
while (true){
Integer m = money.getReference();
if(m<20){
if (money.compareAndSet(m,m+20,timestamp,timestamp+1)){
System.out.println("余额小于20元，充值成功，余额："+
money.getReference()+"元");
break;
}
}else {
break;
}
}
}
}
}.start();} new Thread(){ public void run(){ for (int i = 0; i < 100; i++) { while(true){ int timestamp = money.getStamp(); Integer m = money.getReference(); if(m>10){ if(money.compareAndSet(m,m-10,timestamp,timestamp+1)){ System.out.println("消费10元，余额:"+money.getReference()); break; } }else { break; } }try { Thread.sleep(100); }catch (Exception e){ } } } }.start();}
}
解释下代码，有3个线程在给用户充值，当用户余额少于20时，就给用户充值20元。有100个线程在消费，每次消费10元。用户初始有9元，当使用AtomicStampedReference来实现时，只会给用户充值一次，因为每次操作使得时间戳+1。运行结果：
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
消费10元，余额:19
消费10元，余额:9
如果使用AtomicReference<Integer>或者 Atomic Integer来实现就会造成多次充值。
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
消费10元，余额:19
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
消费10元，余额:19
充值成功，余额:39
消费10元，余额:29
通常来讲这个类用来解决过程问题，比如A变成B，然后B又改回A，类似于这样的过程操作问题：
判断操作：
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
}
AtomicIntegerArray
与AtomicInteger相比，数组的实现不过是多了一个下标。
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}
它的内部只是封装了一个普通的array
private final int[] array;
static {
int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
if ((scale & (scale - 1)) != 0)
throw new Error("data type scale not a power of two");
shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
}
private static long byteOffset(int i) {
return ((long) i << shift) + base;
}
里面有意思的是运用了二进制数的前导零来算数组中的偏移量。
shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
前导零的意思就是比如8位表示12,00001100，那么前导零就是1前面的0的个数，就是4。
/**
- @author Allen李
-
@date
*/
public class TestAtomicIntegerArray {
static AtomicIntegerArray arr = new AtomicIntegerArray(10);
public static class AddThread implements Runnable{
public void run(){
for (int k =0;k<100000;k++){
arr.getAndIncrement(k%arr.length());
}
}public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread[] ts = new Thread[10]; for (int i = 0; i < 10; i++) { ts[i] = new Thread(new AddThread()); } for (int k =0;k<10;k++){ ts[k].start(); } for (int l=0;l<10;l++){ ts[l].join(); } System.out.println(arr); }}
}
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater类的主要作用是让普通变量也享受原子操作。
就比如原本有一个变量是int型，并且很多地方都应用了这个变量，但是在某个场景下，想让int型变成AtomicInteger，但是如果直接改类型，就要改其他地方的应用。AtomicIntegerFieldUpdater就是为了解决这样的问题产生的。
/**
- @author Allen李
- @date
-
让普通变量也享受原子操作
*/
public class TestAtomicIntegerFileldUpdater {
public static class V{
int id;
volatile int score;public int getScore() { return score; } public void setScore(int score) { this.score = score; }}
public final static AtomicIntegerFieldUpdater<V> vv = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(V.class,"score");
public static AtomicInteger allscore = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final V stu = new V();
Thread[] t = new Thread[10000];
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
t[i] = new Thread(){
public void run(){
if(Math.random()>0.4){
vv.incrementAndGet(stu);
allscore.incrementAndGet();
}
}
};
t[i].start();
}
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
t[i].join();
}
System.out.println("score="+stu.getScore());
System.out.println("allscore="+allscore);
}
}
上述代码将score使用 AtomicIntegerFieldUpdater变成 AtomicInteger。保证了线程安全。
这里使用allscore来验证，如果score和allscore数值相同，则说明是线程安全的。
Updater只能修改它可见范围内的变量。因为Updater使用反射得到这个变量。如果变量不可见，就会出错。比如如果某变量申明为private，就是不可行的。
为了确保变量被正确的读取，它必须是volatile类型的。如果我们原有代码中未申明这个类型，那么简单得申明一下就行，这不会引起什么问题。
由于CAS操作会通过对象实例中的偏移量直接进行赋值，因此，它不支持static字段（Unsafe.objectFieldOffset()不支持静态变量）。
来源：51CTO
作者：loserone
链接：https://blog.51cto.com/11585002/2455138