上篇博文,我们介绍了多线程之内存可见性Volatile(一),但是也遗留了一个问题,如何保证变量的”原子性操作(Atomic operations)”?
Volatile保证部分类型的原子性
上篇博文,我们说Voloatile不能保证原子性,有一点局限:
因为在32位(4字节)处理器中,Java中读取long类型变量不是原子的,需要分成两步,如果一个线程正在修改该long变量的值,另一个线程可能只能看到该值的一半(前32位)。但是对一个volatile型的long或double变量的读写时原子的。详解
这篇博文,我们给出另外一个解决方案:原子变量CAS算法。
CAS算法
CAS(Compare-And-Swap)是一种硬件对并发的支持,针对多处理器操作而设计的,处理器中的一种特殊指令,用于管理对共享数据的并发访问。
CAS是一种无锁的非阻塞算法实现。是硬件对于并发操作的支持,保证了数据变量的原子性。
Cas包含了3个操作数:
- 内存值 V
- 预估值 A
- 更新值 B
当且仅当 V == A 时, V = B; 否则,不会执行任何操作。
简单的来说,CAS有3个操作数,要读写的内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则返回V。这是一种乐观锁的思路,它相信在它修改之前,没有其它线程去修改它。
原子性问题
在数据库中事务必须要有原子性,它所做的对数据改操作要全部执行,要么全部不执行。此时的原子性是相同的概念。
我们看一下i++的原子性问题
i++的原子问题
i++的操作实际上分为三个步骤”读-改-写”。
int i = 10;
i = i++; //10
//i++,实际上执行了下面三步:
int temp = i;
i = i + 1;
i = temp;
只有这三步同时执行成功或失败,就是一个原子操作。
java利用CAS实现原子性
我们知道在java.util.concurrent.atomic包下,java利用CAS算法给我们提供原子操作的类:
- 类AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong和AtomicReference的实例各自提供了对相应类型单个变量的访问和更新。每个类也为该类型提供适当的实用工具方法。
- AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray类进一步扩展了原子操作,对这些类型的数组提供了支持。这些类在为其数组元素提供volatile访问语义方面也引人注目,这对于普通数组来说是不受支持的。
- 核心方法
public final boolean compareAndSet(long expect, long update)
下面我们看一个简单实例:
简单例子
public class TestAtomicDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicDemo ad = new AtomicDemo();
for(int i =0;i<10;i++){
new Thread(ad).start();
}
}
}
class AtomicDemo implements Runnable{
private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger();
@Override
public void run() {
try {
Thread.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(getSerialNumber());
}
public int getSerialNumber(){
return serialNumber.getAndIncrement();
}
}
执行结果:
10子线程并发访问serialNumber,不断执行加1操作,保证原子性。原理图:
总结
可以用CAS在无锁的情况下实现原子操作,但要明确应用场合,非常简单的操作且又不想引入锁可以考虑使用CAS操作,当想要非阻塞地完成某一操作也可以考虑CAS。不推荐在复杂操作中引入CAS,会使程序可读性变差,且难以测试,同时会出现问题。
下篇博文我们介绍创建线程的方式之一:实现Callable接口