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:

public class Counter {
  private volatile int a = 0;
  public synchronized int incrAndGet(int number) {
    this.a += number;
    return a;
  }
  public synchronized int get() {
    return a;
  }
}

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(compare and switch)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:

public synchronized int compareAndSwap(int expect, int newValue) {
    int old = this.a;
    if (old == expect) {
      this.a = newValue;
    }
    return old;
  }

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:

private volatile int value;

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:

public final int addAndGet(int delta) {
  for (;;) {
    int current = get();
    int next = current + delta;
    if (compareAndSet(current, next))
      return next;
  }
}

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:

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  return unsafe.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:

package concurrenttest;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class ConcurrentStack<e> {
  AtomicReference<node<e>> top = new AtomicReference<node<e>>();
  public void push(E item) {
    Node<e> newHead = new Node<e>(item);
    Node<e> oldHead;
    while (true) {
      oldHead = top.get();
      newHead.next = oldHead;
      if (top.compareAndSet(oldHead, newHead)) {
        return;
      }
    }
  }
  public E pop() {
    while (true) {
      Node<e> oldHead = top.get();
      if (oldHead == null) {
        return null;
      }
      Node<e> newHead = oldHead.next;
      if (top.compareAndSet(oldHead, newHead)) {
        return oldHead.item;
      }
    }
  }
  private static class Node<e> {
    public final E item;
    public Node<e> next;

    public Node(E item) {
      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:

public boolean offer(E e) {
  checkNotNull(e);
  final Node<e> newNode = new Node<e>(e);
  for (Node<e> t = tail, p = t;;) {
    Node<e> q = p.next;
    if (q == null) {
      // p is last node
      if (p.casNext(null, newNode)) {
        // Successful CAS is the linearization point
        // for e to become an element of this queue,
        // and for newNode to become "live".
        if (p != t) // hop two nodes at a time
          casTail(t, newNode); // Failure is OK.
        return true;
      }
      // Lost CAS race to another thread; re-read next
    }
    else if (p == q)
      // We have fallen off list. If tail is unchanged, it
      // will also be off-list, in which case we need to
      // jump to head, from which all live nodes are always
      // reachable. Else the new tail is a better bet.
      p = (t != (t = tail)) ? t : head;
    else
      // Check for tail updates after two hops.
      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

以上是本文关于Java语言中cas指令的无锁编程实现实例的全部介绍,希望对大家有所帮助!

(0)

相关推荐

  • Java编程cas操作全面解析

    CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令.这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作. 简单介绍一下这个指令的操作过程:首先,CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较.然后,当这两个值相等时,CPU 才会将内存中的数值替换为新的值.否则便不做操作.最后,CPU 会将旧的数值返回.这一系列的操作是原子的.它们虽然看似复杂,但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本.简单来说,CAS 的含义是"我认为原有的值应该是什么,如果是,则将原有的

  • Java并发编程总结——慎用CAS详解

    一.CAS和synchronized适用场景 1.对于资源竞争较少的情况,使用synchronized同步锁进行线程阻塞和唤醒切换以及用户态内核态间的切换操作额外浪费消耗cpu资源:而CAS基于硬件实现,不需要进入内核,不需要切换线程,操作自旋几率较少,因此可以获得更高的性能. 2.对于资源竞争严重的情况,CAS自旋的概率会比较大,从而浪费更多的CPU资源,效率低于synchronized.以java.util.concurrent.atomic包中AtomicInteger类为例,其getAn

  • java中switch case语句需要加入break的原因解析

    java中switch case语句需要加入break的原因解析            java 中使用switch case语句需要加入break 做了具体的实例分析,及编译源码,在源码中分析应该如何使用,大家可以参考下: 假设我们有如下这样一个switch语句: public static void test(int index) { switch (index) { case 1: System.out.println(1); case 2: System.out.println(2);

  • 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: public class Counter { private volatile int a = 0; pub

  • Java语言中flush()函数作用及使用方法详解

    最近在学习io流,发现每次都会出现flush()函数,查了一下其作用,起作用主要如下 //------–flush()的作用--------– 笼统且错误的回答: 缓冲区中的数据保存直到缓冲区满后才写出,也可以使用flush方法将缓冲区中的数据强制写出或使用close()方法关闭流,关闭流之前,缓冲输出流将缓冲区数据一次性写出.flash()和close()都使数据强制写出,所以两种结果是一样的,如果都不写的话,会发现不能成功写出 针对上述回答,给出了精准的回答 FileOutPutStream

  • 在C#和Java语言中for和foreach的区别详解

    for循环和foreach循环的区别 首先在这里声明一点,C#和Java这两种语言很相似,尤其是初学的数据类型那一部分,所以这里写的for和foreach的区别在C#和Java中都适用. 我会在下面分别列出两种语言的for和foreach分别循环打印一个数组,大家可以看看区别 话不多说,直接上代码: //c# //先创建一个数组 int[] arr = new int[3] {99, 11, 22}; //利用for循环打印(可以创建一个变量 i;判断这个i是否小于数组的长度;每次循环i自增1)

  • 汇编语言中cmp指令用法笔记与总结

    本文实例讲述了汇编语言中cmp指令用法.分享给大家供大家参考,具体如下: cmp是比较指令,cmp的功能是相当于减法指令,只是不保存结果.cmp指令执行后,将对标志寄存器产生影响.其他相关指令通过识别这些被影响的标志寄存器来得知比较结果. cmp指令格式: cmp  操作对象1,操作对象2 功能: 计算操作对象1 - 操作对象2 但不保存结果,仅仅根据计算结果对标志寄存器进行设置.比如cmp ax,ax  是做ax - ax 的运算,结果为0,但并不在ax中保存,仅影响flag的相关各位. 指令

  • Java 语言中Object 类和System 类详解

    Object是java所有类的基类,是整个类继承结构的顶端,也是最抽象的一个类.大家天天都在使用toString().equals().hashCode().waite().notify().getClass()等方法,或许都没有意识到是Object的方法,也没有去看Object还有哪些方法以及思考为什么这些方法要放到Object中. 一.Java Object类简介-所有类的超类 Object 是 Java 类库中的一个特殊类,也是所有类的父类.也就是说,J ava 允许把任何类型的对象赋给

  • Java语言中finally是否一定会执行你知道吗

    目录 简介 finally代码块不会运行的情况 情况一:代码流程并未进入try语句块 情况二:使用了System.exit(int)退出程序 情况三:程序所在的线程死亡 情况四:其它非正常退出 总结 简介 我们都知道,finally 作为异常处理的一部分,它只能紧跟在try/catch语句后,附带一个语句块,表示这段语句,“在正常情况下”,最终一定会被执行(不管有没有抛出异常),经常被用在需要释放资源的情况下.那么在我们的应用在运行中,一定会运行finally代码块吗?其实不是的,有以下几种情况

  • Java编程小实例—数字时钟的实现代码示例

    本文的实例是Java编程实现一个数字时钟,代码测试可用,练练手吧.代码如下: package me.socketthread; import java.awt.Color; import java.awt.Dimension; import java.awt.Font; import java.awt.Graphics; import java.awt.Graphics2D; import java.util.Calendar; import java.util.GregorianCalenda

  • Java 高并发四:无锁详细介绍

    在[高并发Java 一] 前言中已经提到了无锁的概念,由于在jdk源码中有大量的无锁应用,所以在这里介绍下无锁. 1 无锁类的原理详解 1.1 CAS CAS算法的过程是这样:它包含3个参数CAS(V,E,N).V表示要更新的变量,E表示预期值,N表示新值.仅当V 值等于E值时,才会将V的值设为N,如果V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么 都不做.最后,CAS返回当前V的真实值.CAS操作是抱着乐观的态度进行的,它总是认为自己可以成功完成 操作.当多个线程同时使用CAS操

  • java无锁hashmap原理与实现详解

    java多线程环境中应用HashMap,主要有以下几种选择:使用线程安全的java.util.Hashtable作为替代​使用java.util.Collections.synchronizedMap方法,将已有的HashMap对象包装为线程安全的.使用java.util.concurrent.ConcurrentHashMap类作为替代,它具有非常好的性能.而以上几种方法在实现的具体细节上,都或多或少地用到了互斥锁.互斥锁会造成线程阻塞,降低运行效率,并有可能产生死锁.优先级翻转等一系列问题.

  • Java中的线程同步与ThreadLocal无锁化线程封闭实现

    Synchronized关键字 Java语言的关键字,当它用来修饰一个方法或者一个代码块的时候,能够保证在同一时刻最多只有一个线程执行该段代码. 当两个并发线程访问同一个对象object中的这个synchronized(this)同步代码块时,一个时间内只能有一个线程得到执行.另一个线程必须等待当前线程执行完这个代码块以后才能执行该代码块. 然而,当一个线程访问object的一个synchronized(this)同步代码块时,另一个线程仍然可以访问该object中的非synchronized(

随机推荐