文章目录
- 问题提出
- 解决思路-锁
- 解决思路-无锁
- CAS 与 volatile
- 慢动作分析
- volatile
- 为什么无锁效率高
- CAS 的特点
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
![构建搜索引擎，而非向量数据库（Vector DB） [译]](https://img-blog.csdnimg.cn/img_convert/8321c354d095da7d382a47f13b76d7b9.png)
