java并发编程七 无锁解决加锁问题

问题提出

有如下需求，保证 account.withdraw 取款方法的线程安全

package cn.onenewcode;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
interface Account {
 // 获取余额
Integer getBalance();
 // 取款
void withdraw(Integer amount);
 /**
 * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
* 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
 */
 static void demo(Account account) {
 List<Thread> ts = new ArrayList<>();
 long start = System.nanoTime();
 for (int i = 0; i < 1000; i++) {
 ts.add(new Thread(() -> {
 account.withdraw(10);
            }));
        }
 ts.forEach(Thread::start);
 ts.forEach(t -> {
 try {
 t.join();
            } 
            }
 catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
        });
 long end = System.nanoTime();
 System.out.println(account.getBalance() 
+ " cost: " + (end-start)/1000_000 + " ms");
    }
 }

原有实现并不是线程安全的

class AccountUnsafe implements Account {
 private Integer balance;
 public AccountUnsafe(Integer balance) {
 this.balance = balance;
    }
    @Override
 public Integer getBalance() {
 return balance;
    }
 @Override
 public void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
    }
 }

执行测试代码

public static void main(String[] args) {
 Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
 }

某次的执行结果

330 cost: 306 ms 

为什么不安全
withdraw 方法

public void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
 }

对应的字节码

ALOAD 0                                                          
ALOAD 0
 GETFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer;   
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I                     
ALOAD 1                                                          
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue ()I                     
ISUB                                                             
// <- this
 // <- this.balance
 // 拆箱
// <- amount
 // 拆箱
// 减法
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf (I)Ljava/lang/Integer;    
PUTFIELD cn/itcast/AccountUnsafe.balance : Ljava/lang/Integer;   
多线程执行流程
// 结果装箱
// -> this.balance

多线程执行流程

// 结果装箱
// -> this.balance
 ALOAD 0                                     // thread-0 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/onenewcode/AccountUnsafe.balance    // thread-0 <- this.balance 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue    // thread-0 拆箱 
ALOAD 1                                     // thread-0 <- amount 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue    // thread-0 拆箱 
ISUB                                        // thread-0 减法 
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf      // thread-0 结果装箱 
PUTFIELD cn/onenewcode/AccountUnsafe.balance    // thread-0 -> this.balance 
ALOAD 0                                     // thread-1 <- this 
ALOAD 0 
GETFIELD cn/onenewcode/AccountUnsafe.balance    // thread-1 <- this.balance 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue    // thread-1 拆箱 
ALOAD 1                                     // thread-1 <- amount 
INVOKEVIRTUAL java/lang/Integer.intValue    // thread-1 拆箱 
ISUB                                        // thread-1 减法 
INVOKESTATIC java/lang/Integer.valueOf      // thread-1 结果装箱 
PUTFIELD cn/onenewcode/AccountUnsafe.balance    // thread-1 -> this.balance 

• 单核的指令交错
• 多核的指令交错

解决思路-锁

首先想到的是给 Account 对象加锁

class AccountUnsafe implements Account {
 private Integer balance;
 public AccountUnsafe(Integer balance) {
 this.balance = balance;
    }
 @Override
 public synchronized Integer getBalance() {
 return balance;
    }
 }
 @Override
 public synchronized void withdraw(Integer amount) {
 balance -= amount;
    }

结果为

0 cost: 399 ms 

解决思路-无锁

class AccountSafe implements Account {
 private AtomicInteger balance;
 public AccountSafe(Integer balance) {
 this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
 @Override
 public Integer getBalance() {
 return balance.get();
    }
 @Override
 public void withdraw(Integer amount) {
 while (true) {
 int prev = balance.get();
 int next = prev - amount;
 // 通过判断前一个和后一个参数是否相同，来判断是否对象是否被更改
 if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
 break;
            }
        }
 // 可以简化为下面的方法
// balance.addAndGet(-1 * amount);
    }
 }

执行测试代码

public static void main(String[] args) {
 Account.demo(new AccountSafe(10000));
 }

某次的执行结果

0 cost: 302 ms 

CAS 与 volatile

前面看到的 AtomicInteger 的解决方法，内部并没有用锁来保护共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

public void withdraw(Integer amount) {
 while(true) {
 // 需要不断尝试，直到成功为止
while (true) {
 // 比如拿到了旧值 1000
 int prev = balance.get();
 // 在这个基础上 1000-10 = 990
 int next = prev - amount;
 /*
 compareAndSet 正是做这个检查，在 set 前，先比较 prev 与当前值- 不一致了，next 作废，返回 false 表示失败
比如，别的线程已经做了减法，当前值已经被减成了 990
那么本线程的这次 990 就作废了，进入 while 下次循环重试- 一致，以 next 设置为新值，返回 true 表示成功
*/
if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
 break;
            }
        }
    }
 }

其中的关键是 compareAndSet，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。

慢动作分析

@Slf4j
 public class SlowMotion {
 public static void main(String[] args) {
 AtomicInteger balance = new AtomicInteger(10000);
 int mainPrev = balance.get();
 log.debug("try get {}", mainPrev);
 new Thread(() -> {
 sleep(1000);
 int prev = balance.get();
 balance.compareAndSet(prev, 9000);
 log.debug(balance.toString());
        }, 
"t1").start();
 sleep(2000);
 log.debug("try set 8000...");
 boolean isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
 log.debug("is success ? {}", isSuccess);
 if(!isSuccess){
 mainPrev = balance.get();
 log.debug("try set 8000...");
 isSuccess = balance.compareAndSet(mainPrev, 8000);
 log.debug("is success ? {}", isSuccess);
        }
    }
 private static void sleep(int millis) {
 try {
 Thread.sleep(millis);
        } 
catch (InterruptedException e) {
 e.printStackTrace();
        }
    }
 }

输出结果

2023-10-13 11:28:37.134 [main] try get 10000 
2023-10-13 11:28:38.154 [t1] 9000 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? false 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] try set 8000... 
2023-10-13 11:28:39.154 [main] is success ? true 

volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。
它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。

CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果

为什么无锁效率高

• 无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized 会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。打个比喻
• 线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行，代价比较大
• 但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。
  

CAS 的特点

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

• CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
• synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
• CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
  • 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
  • 但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响