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

  • 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
    2
    3
    4
    for(;;){
    		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

  • 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.

  • 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.

  • 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
    2
    3
    4
    5
    6
    7
    8
    9
    10
    11
    12
    13
    14
    15
    16
    17
    18
    19
    20
    21
    22
    23
    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.