Java实现原子操作

2015/08/30 16:31
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Java实现原子操作

什么是原子操作

http://www.infoq.com/cn/articles/atomic-operations-and-contention

计算机操作最重要的构成单位是原子操作。这里的原子跟物理上说的原子没有任何关系,而是起源于单词atom,也就是希腊语“ἄτομος”(意为不可见的)。原子操作是一种不可再细分的操作,或者在系统中其他处理器看来是不可再分了。为了说明为什么原子操作很重要,考虑两个处理器以几乎相同的方式增加一个计数器,翻译成C语言就是counter++,此时会发生什么:

指令周期 处理器一 处理器二
0 reg = load(&counter);  
1 reg = reg + 1; reg = load(&counter);
2 store(&counter, reg); reg = reg + 1;
3   store(&counter, reg);

在编译好的代码中,这样一个操作分为:读操作、寄存器自加,最后是一个写操作(这里用类似C语言的伪代码表示)。这三个步骤是独立且按顺序执行的(注意,对于x86来说,在更微观的架构层次上这句话是正确的,但是在指令集架构的层次上,这三步看起来可以用一条“读-修改-写(read-modify-write)”指令完成:add [memory], value)。并且因为这些操作被分成多个指令周期来执行,所以在处理器一读完counter(并且正开始把它加一)之后,把结果写回去之前的空隙,处理器二也有可能去读它。结果导致虽然两个处理器都去增加这个计数器,但最终计数器的值只被加了1,其中一个加法运算“丢失”了。

原子操作恰恰就是用来防止这个问题的。如果我们使用一个原子的自加操作(说得更通用一点,原子加法)而不是常规的自加操作,执行指令的处理器会确保上面的三个步骤(读、加、写)像一条指令那样完成,成为一个原子操作。在自加操作进行的时候,其他处理器无法插手。


什么是CAS

比较并交换 Compare and Swap

CAS操作需要输入两个数值,一个旧值(期望操作前的值)和一个新值,在操作期间先比较下旧值有没有发生变化,如果没有发生变化,才交换成新值,发生了变化则不交换。


使用循环CAS实现原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的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,以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count。

package com.usoft;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Counter {
    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
    private int i = 0;

    public static void main(String[] args) {
        final Counter cas = new Counter();
        List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>(600);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                        cas.count();
                        cas.safeCount();
                    }
                }
            });
            ts.add(t);
        }

        for (Thread t : ts) {
            t.start();
        }
        // 等待所有线程执行完成
        for (Thread t : ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicI.get());
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);

    }

    /**
     * 使用CAS实现线程安全计数器
     */
    private void safeCount() {
        for (;;) {
            int i = atomicI.get();
            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }

    /**
     * 非线程安全计数器
     */
    private void count() {
        i++;
    }
}

从Java1.5开始JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作,如AtomicBoolean(用原子方式更新的 boolean 值),AtomicInteger(用原子方式更新的 int 值),AtomicLong(用原子方式更新的 long 值),这些原子包装类还提供了有用的工具方法,比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。

CAS虽然很高效的解决原子操作,但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题,循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作。

ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化,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进行检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加一,那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。

从Java1.5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,并且当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

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

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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升,pause指令有两个作用,第一它可以延迟流水线执行指令(de-pipeline),使CPU不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(memory order violation)而引起CPU流水线被清空(CPU pipeline flush),从而提高CPU的执行效率。

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,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。


使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁机制,有偏向锁,轻量级锁和互斥锁,有意思的是除了偏向锁,JVM实现锁的方式都用到的循环CAS,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循环CAS释放锁。详细说明可以参见文章Java SE1.6中的Synchronized。

http://www.infoq.com/cn/articles/java-se-16-synchronized

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