Java并发编程(六)-Java并发机制的底层实现原理-原子操作
参考文献
- <<Java并发编程艺术>>
- <<Java语言规范-基于Java SE 8>>
原子操作的实现原理
- 在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作;
使用循环CAS实现原子操作
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JVM中CAS操作是利用处理器提供的
CMPXCHG
指令实现的.自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止.1
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4for(;;){
int i = atomicI.get();
boolean sunc= atomicI.compareAndSet(i,i++);
}
CAS实现原子操作的三大问题
ABA问题
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因为CAS需要在操作值的时候,检查值有没有发生变化,如果没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS进行检查时就会发现它的值没有发生变化,但是实际上变化了.
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ABA问题的解决思路就是用版本号.在变量前面追加版本号,每次变量更新的时候把版本号加1,那么由原来的A->B->A变成了1A->2B->3A.
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从JDK5开始,JDK的
Atomic
包里提供了一个类AtomicStampedReference
来解决ABA问题.这个类的compareAndSet
方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且检查当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子的方式将该引用和标志的值设置为给定的更新值.1
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24/**
* Atomically sets the value of both the reference and stamp
* to the given update values if the
* current reference is {@code ==} to the expected reference
* and the current stamp is equal to the expected stamp.
*
* @param expectedReference the expected value of the reference
* @param newReference the new value for the reference
* @param expectedStamp the expected value of the stamp
* @param newStamp the new value for the stamp
* @return {@code true} if successful
*/
public boolean compareAndSet(V expectedReference, // 预期引用
V newReference, // 更新后的引用
int expectedStamp, // 预期标志
int newStamp) { // 更新后的标志
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
循环时间长开销大
- 自旋CAS如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销.
只能保证一个共享变量的原子操作
- 当对一个共享变量执行操作时,可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性.这个时候就可以使用锁.也可以用采用取巧的方法,就是把多个变量合并成一个共享变量来操作,如:有两个共享变量
i = 2,j = a
,合并一下ij=2a
,然后用CAS来操作ij
. - 从JDK5开始,JDK提供
AtomicReference
类来保证引用对象之间的原子性,就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作.
使用锁机制来实现原子操作
- 锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域.JVM内部实现了很多种锁机制,有意思的是除了偏向锁,JVM实现锁的方式都用了循环CAS,即当一个线程想进入同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁,当它退出同步块的时候使用CAS释放锁.
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