知识点

并发编程的基础知识

并发编程的基础知识

Java中的CAS操作

在Java中，锁在并发处理中占据了一席之地，但是使用锁有一个不好的地方，就是当一个线程没有获取到锁时会被阻塞挂起，这会导致线程上下文的切换和重新调度的开销。
Java提供了非阻塞的volatile关键字来解决共享变量的可见性问题，这在一定程度上弥补了锁带来的开销问题，不能解决读-改-写等的原子性问题。CAS即Compare And Swap，
是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较-更新的原子性。

compareAndSwap*

JDK的Unsafe类提供了一系列的compareAndSwap*方法，下面以compareAndSwapLong为例 进行简单介绍。

  • boolean compareAndSwapLong(Object obj, long valueOffset, long except, long update)

    CAS有四个操作数，分别是：对象内存位置，对象中的变量的偏移量，变量的预期值，更新之后的值。其操作含义：如果对象obj中内存偏移量为valueOffset的变量值为except,
    则使用新的值update替换旧的值except。这是处理器提供的一个原子性指令。

CAS自旋等待

CAS自旋，一直尝试，直到成功。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
public final long getAndAddLong(Object obj, long valueOffset, long add) {
    long except;
    // 自旋，一直尝试，直到成功
    do {
        except = this.getLongVolatile(obj, valueOffset);
    } while(!this.compareAndSwapLong(obj, valueOffset, except, except + add));
    return except;
}

ABA问题

假如线程I使用CAS修改初值值的变量X，那么线程I会首先去获取当前变量X的值（为A），然后使用CAS操作尝试修改X的值为B，如果使用CAS操作成功可，那么此时程序运行不一定正确。
可能在线程I获取变量X的值A后，在执行CAS前，线程II使用CAS修改了变量X的值为B，然后又使用CAS修改了变量X的值为A。虽然线程I执行CAS时的值是A，但是这个A已经不是线程I获
取时的A了。

ABA问题的产生是因为变量的状态值产生了环形转换，A-B-A。JDK中的AtomicStampedReference类为每个变量的状态值都配备了一个时间戳，从而避免ABA问题的产生。

什么是AQS

AQS(Abstract Queued Synchronizer)是一个抽象的队列同步器，通过维护一个共享资源状态（Volatile Int state）和一个先进先出（FIFO）的线程等待队列来实现一个多线程
访问共享资源的同步框架。

AQS原理

AQS为每个共享资源都设置了一个共享资源锁，线程在需要访问共享资源时首先要获取共享资源锁，如果获取到了共享资源锁，便可以在当前线程中使用该共享资源，如果获取不到，则将该线程
放入线程等待队列，等待下一次资源调度。许多同步类的实现都依赖于AQS，比如常用的ReentrantLock、countDownLatch。

img.png

state: 状态

Abstract Queued Synchronizer维护了一个volatile int类型的变量，用于表示当前的同步状态。volatile虽然不能保证操作的原子性，但是能保证当前变量state的可见性。

1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
// 返回共享资源状态，此操作的内存语义为volatile修饰的原子读操作
protected final int getState() {
        return state;
}

// 设置共享资源状态，此操作的内存语义为volatile修饰的原子写操作
protected final void setState(int newState) {
        state = newState;
}

// 自动将同步状态设置为给定的更新值状态（如果当前状态值等于预期值）
// 此操作的内存语义为volatile修饰的原子读写操作
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

AQS共享资源的方式：共享式和独占式

  • 共享式：多个线程可以同时执行，具体的实现Semaphore和CountDownLatch。
  • 独占式：只有一个线程能执行，具体的实现ReentrantLock。
    AQS只是定义一个框架，只定义了一个接口，具体资源的获取、释放都交由自定义同步器去实现。不同的自定义同步器争用贡献资源的方式也不同，自定义同步器在实现时只需要实现共享
    资源state的获取与释放方式即可，至于具体线程等待队列的维护，如获取资源失败入队、唤醒出队等，AQS已经在顶层实现好，不需要具体的同步器再做处理。
方法名 资源共享方式 说明
isHeldExclusively() 查询该线程是否正在独占资源，只有用到condition才需要去实现它
tryAcquire(int) 独占方式 尝试获取资源：成功返回true，失败返回false
tryRelease(int) 独占方式 尝试释放资源：成功返回true，失败返回false
tryAcquireShared(int) 共享方式 尝试获取资源：负数表示失败；0表示成功，但没有剩余资源可用；正数表示成功，且有剩余资源
tryReleaseShared(int) 共享方式 尝试释放资源：如果释放资源后允许唤醒后续等待线程，则返回true，否则返回false

一般来说，自定义同步器要么采用独占方式，要么采用共享方式，实现类只需实现tryAcquire、tryRelease或tryAcquireShared、tryReleaseShared中的一组即可。但AQS也支持
自定义同步器同时实现独占和共享两种方式，例如ReentrantReadWriteLock在读取时采用共享方式，在写入时采用独占方式。

ReentrantLock

ReentrantLock中的state初始值为0，表示无锁状态。在线程执行tryAcquire()获取该锁后，ReentrantLock中的state+1，这时该线程独占ReentrantLock锁，其他线程在通过
tryAcquire()获取锁时均会失败，直到该线程释放锁后，state再次为0，其他线程才有机会获取该锁。该线程在释放锁之前可以重复获取此锁，每获取一次便会执行一次state+1，因此
ReentrantLock也属于可重入锁。但是获取多少次锁就要释放多少次锁，这样才能保证state最终为0。

CountDownLatch

CountDownLatch将任务分为N个子线程去执行，将state也初始化为N，N与线程的个数一致，N个子线程是并行执行，每个子线程都在执行完后countDown()一次，state会执行CAS操作
并减1。在所有子线程都执行完后（state = 0）时会unpark()主线程，然后主线程会从await()返回，继续执行后续的动作。