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身为JAVA工作者必须了解的实战知识(十四)

 叶荷
发布于 2017/08/31 20:09
字数 1594
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一、锁的劣势

锁定后如果未释放,再次请求锁时会造成阻塞,多线程调度通常遇到阻塞会进行上下文切换,造成更多的开销。

在挂起与恢复线程等过程中存在着很大的开销,并且通常存在着较长时间的中断。

锁可能导致优先级反转,即使较高优先级的线程可以抢先执行,但仍然需要等待锁被释放,从而导致它的优先级会降至低优先级线程的级别。

二、硬件对并发的支持

处理器填写了一些特殊指令,例如:比较并交换、关联加载/条件存储。

1 比较并交换

CAS的含义是:“我认为V的值应该为A,如果是,那么将V的值更新为B,否则不需要修改告诉V的值实际为多少”。CAS是一项乐观锁技术。

模拟CAS操作例子:

[java]view plaincopy

print?

@ ThreadSafe

publicclassSimulatedCAS {

@ GuardeBy("this")privateintvalue ;

publicsynchronizedintget(){

returnvalue ;

}

publicsynchronizedintcompareAndSwap(intexpectedValue,intnewValue){

intoldValue = value ;

if(oldValue == expectedValue)

value = newValue;

returnoldValue;

}

publicsynchronizedbooleancompareAndSet(intexpectedValue,intnewValue){

return(expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue));

}

}

2 非阻塞的计数器

基于CAS实现的非阻塞计数器

[java]view plaincopy

print?

@ ThreadSafe

publicclassCasCounter {

privateSimulatedCAS value ;

publicintgetValue(){

returnvalue .get();

}

publicintincrement(){

intv;

do{

v = value .get();

}while(v != value .compareAndSwap(v, v +1));

returnv +1;

}

}

CAS的主要缺点是:它将使调度者处理竞争问题(通过重试、回退、放弃),而在使用锁中能自动处理竞争问题(线程在获得锁之前将一直阻塞)。

3 JVM对CAS的支持

[java]view plaincopy

print?

java.util.concurrent.atomic 类的小工具包,支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。

AtomicBoolean 可以用原子方式更新的boolean值。

AtomicInteger 可以用原子方式更新的int值。

AtomicIntegerArray 可以用原子方式更新其元素的int数组。

AtomicIntegerFieldUpdater 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定volatileint字段进行原子更新。

AtomicLong 可以用原子方式更新的long值。

AtomicLongArray 可以用原子方式更新其元素的long数组。

AtomicLongFieldUpdater 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定volatilelong字段进行原子更新。

AtomicMarkableReference AtomicMarkableReference 维护带有标记位的对象引用,可以原子方式对其进行更新。

AtomicReference 可以用原子方式更新的对象引用。

AtomicReferenceArray 可以用原子方式更新其元素的对象引用数组。

AtomicReferenceFieldUpdater 基于反射的实用工具,可以对指定类的指定volatile字段进行原子更新。

AtomicStampedReference AtomicStampedReference 维护带有整数“标志”的对象引用,可以用原子方式对其进行更新。

三、原子变量类

1 原子变量是一种“更好的volatile”

通过CAS来维持包含多个变量的不变性条件例子:

[java]view plaincopy

print?

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

publicclassCasNumberRange {

privatestaticclassIntPair{

finalintlower ;// 不变性条件: lower <= upper

finalintupper ;

publicIntPair(intlower,intupper) {

this.lower = lower;

this.upper = upper;

}

}

privatefinalAtomicReference values =

newAtomicReference(newIntPair(0,0));

publicintgetLower(){

returnvalues .get(). lower;

}

publicintgetUpper(){

returnvalues .get(). upper;

}

publicvoidsetLower(inti){

while(true){

IntPair oldv = values .get();

if(i > oldv.upper ){

thrownewIllegalArgumentException("Cant't set lower to "+ i +" > upper");

}

IntPair newv =newIntPair(i, oldv.upper );

if(values .compareAndSet(oldv, newv)){

return;

}

}

}

// 对setUpper采用类似的方法

}

2 性能比较:锁与原子变量

使用ReentrantLock、AtomicInteger、ThreadLocal比较,通常情况下效率排序是ThreadLocal > AtomicInteger > ReentrantLock。

四、非阻塞算法

1 非阻塞的栈

[java]view plaincopy

print?

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

publicclassConcurrentStack {

privateAtomicReference> top =newAtomicReference>();

publicvoidpush(E item){

Node newHead =newNode(item);

Node oldHead;

do{

oldHead = top .get();

newHead. next = oldHead;

}while(!top .compareAndSet(oldHead, newHead));

}

publicE pop(){

Node oldHead;

Node newHead;

do{

oldHead = top .get();

if(oldHead ==null) {

returnnull;

}

newHead = oldHead. next ;

}while(!top .compareAndSet(oldHead, newHead));

returnoldHead.item ;

}

privatestaticclassNode{

publicfinalE item;

publicNode next ;

publicNode(E item){

this.item = item;

}

}

}

2 非阻塞的链表

CAS基本使用模式:在更新某个值时存在不确定性,以及在更新失败时重新尝试。

[java]view plaincopy

print?

importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

@ ThreadSafe

publicclassLinkedQueue {

privatestaticclassNode{

finalE item;

finalAtomicReference> next;

publicNode(E item, Node next){

this.item = item;

this.next =newAtomicReference>(next);

}

}

privatefinalNode dummy =newNode(null,null);

privatefinalAtomicReference> head =

newAtomicReference>(dummy);

privatefinalAtomicReference> tail =

newAtomicReference>(dummy);

publicbooleanput(E item){

Node newNode =newNode(item,null);

while(true){

Node curTail = tail.get();

Node tailNext = curTail.next.get();

if(curTail == tail.get()){

if(tailNext !=null){

// 队列处于中间状态,推进尾节点

tail.compareAndSet(curTail, tailNext);

}else{

// 处于稳定状态, 尝试插入新节点

if(curTail.next.compareAndSet(null, newNode)){

// 插入操作成功,尝试推进尾节点

tail.compareAndSet(curTail, tailNext);

returntrue;

}

}

}

}

}

}

3 原子的域更新器

原子的域更新器类表示有volatile域的一种基于反射的“视图”,从而能够在已有的volatile域上使用CAS

[java]view plaincopy

print?

privatestaticclassNode{

privatefinalE item;

privatevolatileNode next;

publicNode(E item){

this.item = item;

}

}

privatestaticAtomicReferenceFieldUpdater nextUpdater

= AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Node.class, Node.class,"next");

4 ABA问题

处理V的值首先由A变成B,再由B变成A的问题。

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最后,每一位读到这里的网友,感谢你们能耐心地看完。觉得对你有帮助可以给个喜欢!希望在成为一名更优秀的Java程序员的道路上,我们可以一起学习、一起进步

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