Java语言中cas指令的无锁编程实现实例
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){ Node newHead=newNode (item); Node oldHead; while(true){ oldHead=top.get(); newHead.next=oldHead; if(top.compareAndSet(oldHead,newHead)){ return; } } } publicEpop(){ while(true){ Node oldHead=top.get(); if(oldHead==null){ returnnull; } Node newHead=oldHead.next; if(top.compareAndSet(oldHead,newHead)){ returnoldHead.item; } } } privatestaticclassNode { publicfinalEitem; publicNode next; 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(Node t=tail,p=t;;){ Node q=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。