Java语言中cas指令的无锁编程实现实例

2023-09-24 18:16:06 300

最开始接触到相关的内容应该是从volatile关键字开始的吧，知道它可以保证变量的可见性，而且利用它可以实现读与写的原子操作。。。但是要实现一些复合的操作volatile就无能为力了。。。最典型的代表是递增和递减的操作。。。。

我们知道，在并发的环境下，要实现数据的一致性，最简单的方式就是加锁，保证同一时刻只有一个线程可以对数据进行操作。。。。例如一个计数器，我们可以用如下的方式来实现：

publicclassCounter{
privatevolatileinta=0;
publicsynchronizedintincrAndGet(intnumber){
this.a+=number;
returna;
}
publicsynchronizedintget(){
returna;
}
}

我们对操作都用synchronized关键字进行修饰，保证对属性a的同步访问。。。这样子确实可以保证在并发环境下a的一致性，但是由于使用了锁，锁的开销，线程的调度等等会使得程序的伸缩性受到了限制，于是就有了很多无锁的实现方式。。。。

其实这些无锁的方法都利用了处理器所提供的一些CAS（compareandswitch）指令，这个CAS到底干了啥事情呢，可以用下面这个方法来说明CAS所代表的语义：

publicsynchronizedintcompareAndSwap(intexpect,intnewValue){
intold=this.a;
if(old==expect){
this.a=newValue;
}
returnold;
}

好吧，通过代码应该对CAS语义的标书很清楚了吧，好像现在大多数的处理器都实现了原子的CAS指令了吧。。
好啦，那么接下来来看看在java中CAS都用在了什么地方了吧，首先来看AtomicInteger类型吧，这个是并发库里面提供的一个类型：

privatevolatileintvalue;

这个是内部定义的一个属性吧，用于保存值，由于是volatile类型的，所以可以保证线程之间的可见性以及读写的原子性。。。
那么接下来来看看几个比较常用的方法：

publicfinalintaddAndGet(intdelta){
for(;;){
intcurrent=get();
intnext=current+delta;
if(compareAndSet(current,next))
returnnext;
}
}

这个方法的作用是在当前值的基础上加上delta，这里可以看到整个方法中并没有加锁，这代码其实就算是java中实现无锁计数器的方法，这里compareAndSet方法的定义如下：

publicfinalbooleancompareAndSet(intexpect,intupdate){
returnunsafe.compareAndSwapInt(this,valueOffset,expect,update);
}

由于调用了unsafe的方法，所以这个就无能为力了，其实应该能猜到JVM调用了处理器本身的CAS指令来实现原子的操作。。。

基本上AtomicInteger类型的重要方法都是采用无锁的方式实现的。。因此在并发环境下，用这种类型能有更好的性能。。。
上面算是搞定了在java中实现无锁的计数器，接下来来看看如何实现无锁栈，直接贴代码了，代码是从《JAVA并发编程实战》中模仿下来的：

packageconcurrenttest;
importjava.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
publicclassConcurrentStack{
AtomicReference>top=newAtomicReference>();
publicvoidpush(Eitem){
NodenewHead=newNode(item);
NodeoldHead;
while(true){
oldHead=top.get();
newHead.next=oldHead;
if(top.compareAndSet(oldHead,newHead)){
return;
}
}
}
publicEpop(){
while(true){
NodeoldHead=top.get();
if(oldHead==null){
returnnull;
}
NodenewHead=oldHead.next;
if(top.compareAndSet(oldHead,newHead)){
returnoldHead.item;
}
}
}
privatestaticclassNode{
publicfinalEitem;
publicNodenext;

publicNode(Eitem){
this.item=item;
}
}
}

好啦，上面的代码就算是实现了一个无锁的栈，简单吧。。。在并发环境中，无锁的数据结构伸缩性能够比用锁好得多。。。
在提到无锁编程的时候，就不得不提到无锁队列，其实在concurrent库中已经提供了无锁队列的实现:ConcurrentLinkedQueue，我们来看看它的重要的方法实现吧：

publicbooleanoffer(Ee){
checkNotNull(e);
finalNodenewNode=newNode(e);
for(Nodet=tail,p=t;;){
Nodeq=p.next;
if(q==null){
//pislastnode
if(p.casNext(null,newNode)){
//SuccessfulCASisthelinearizationpoint
//foretobecomeanelementofthisqueue,
//andfornewNodetobecome"live".
if(p!=t)//hoptwonodesatatime
casTail(t,newNode);//FailureisOK.
returntrue;
}
//LostCASracetoanotherthread;re-readnext
}
elseif(p==q)
//Wehavefallenofflist.Iftailisunchanged,it
//willalsobeoff-list,inwhichcaseweneedto
//jumptohead,fromwhichalllivenodesarealways
//reachable.Elsethenewtailisabetterbet.
p=(t!=(t=tail))?t:head;
else
//Checkfortailupdatesaftertwohops.
p=(p!=t&&t!=(t=tail))?t:q;
}
}

这个方法用于在队列的尾部添加元素，这里可以看到没有加锁，对于具体的无锁算法，采用的是Michael-Scott提出的非阻塞链表链接算法。。。具体是怎么样子的，可以到《JAVA并发编程实战》中去看吧，有比较详细的介绍。

另外对于其他方法，其实都是采用无锁的方式实现的。

最后，在实际的编程中，在并发环境中最好还是采用这些无锁的实现，毕竟它的伸缩性更好。

总结

Java语言中cas指令的无锁编程实现实例

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