共享模型之无锁
问题提出
有如下需求,保证account.withdraw取款方法的线程安全。
package cn.itcast;
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);
//注意该方法
}
));
}
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");
}
}
解决思路: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;
}
}
执行
public static void main(String[] args) {
Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
}
解决思路:无锁
// AtomicInteger构造方法如下 可以看到传递进去的balance给了一个volatile修饰的变量
private volatile int value;
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
class AccountSafe implements Account {
private AtomicInteger balance;
//注意使用的是AtomicInteger 否则要加volatile
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;
//compareAndSet是一个操作
//1.获取最新值和prev比较
//2.如果最新值和prev一样,做更新操作
//3.写入新值
if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
// 可以简化为下面的方法
// balance.addAndGet(-1 * amount);
}
}
☆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) {
// 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，将 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方法，它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作(保证读取和写入是一起的)。
compareAndSet方法最终调用的是unsafe类的compareAndSwap，这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。 首先， cpu会把内存中将要被更改的数据与期望值做比较 然后，当两个值相等时，cpu才会将内存中的对象替换为新的值。否则，不做变更操作 最后，返回操作执行结果 很显然，这是一种乐观锁的实现思路。
cas原子性的原理
-其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
-在多核状态下，某个核执行到带 lock 的指令时，CPU 会让总线锁住，当这个核把此指令执行完毕，再开启总线。
这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。
锁总线，其它CPU对内存的读写请求都会被阻塞，直到锁释放，因为锁总线的开销比较大，后来的处理器都采用锁缓存替代锁总线，在无法使用缓存锁的时候会降级使用总线锁 lock期间的写操作会回写已修改的数据到主内存，同时通过缓存一致性协议让其它CPU相关缓存行失效
一文解决内存屏障 | 程序猿说你好 (monkeysayhi.github.io)
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。
volatile 仅仅保证了共享变量的可见性和有序性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性），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循环时间长开销大,自旋CAS不成功，就一直循环执行，直到成功,并发高的时候耗费CPU。
对于资源竞争严重（线程冲突严重）的情况，CAS自旋失败的概率会比较大，从而浪费更多的CPU资源，效率低于synchronized。
悲观锁&乐观锁
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。
如何选择cas和synchronize
synchronized和cas性能对比
在线程数相对较少的时候，CAS实现比较快，性能优于synchronized,当线程数多于8后，CAS实现明显开始下降，反而时间消耗高于synchronized。
以上结果表明，synchronized是java提供的又简单方便，性能优化又非常好的功能，建议大家常用；
CAS的话，线程数大于一定数量的话，多个线程在循环调用CAS接口，虽然不会让其他线程阻塞，但是这个时候竞争激烈，会导致CPU到达100%，同时比较耗时间，所以性能就不如synchronized了。
无锁特殊实现:固定输入固定输出
像这种固定输入参数 ,输出结果也是确定的程序。也是不需要加锁的。
if(a==1){
return a + 1;
}
if(a==2){
return a + 2;
}
原子类介绍
1.什么是原子类
原子类可以认为其操作都是不可分割
2.为什么要有原子类
对多线程访问同一个变量，我们需要加锁，而锁是比较消耗性能的，JDk1.5之后，新增的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式，这些类同样位于JUC包下的atomic包下
1.原子更新基本类型
原子更新基本类型大致可以归为3类** **
AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong 元老级的原子更新，方法几乎一模一样
DoubleAdder、LongAdder 对Double、Long的原子更新性能进行优化提升。
DoubleAccumulator、LongAccumulator 支持自定义运算。
以 AtomicInteger 为例
AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
// 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
System.out.println(i.getAndIncrement());
// 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
System.out.println(i.incrementAndGet());
// 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
System.out.println(i.decrementAndGet());
// 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
System.out.println(i.getAndDecrement());
// 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
System.out.println(i.getAndAdd(5));
// 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
System.out.println(i.addAndGet(-5));
// 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
// 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
// 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
// getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
// getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
// 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
// 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
2.原子更新数组类型
原子更新数组类型:AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
AtomicIntegerArray
/**
提供一个数组，将数组中的每个元素通过十个线程累加，每个线程累加一千
那么最后的结果应该是数组里每个元素都是10000
参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
参数2，获取数组长度的方法
参数3，自增方法,回传array, index
参数4，打印数组的方法class GarbageBag {
String desc;
public GarbageBag(String desc) {
this.desc = desc;
}
public void setDesc(String desc) {
this.desc = desc;
}
@Override
public String toString() {
return super.toString() + " " + desc;
}
}
*/
// supplier 提供者 无中生有 ()->结果
// function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
// consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->
private static <T> void demo(
Supplier<T> arraySupplier,
Function<T, Integer> lengthFun,
BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
Consumer<T> printConsumer ) {
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
T array = arraySupplier.get();
int length = lengthFun.apply(array);
for (int i = 0; i < length; i++) {
// 每个线程对数组作 10000 次操作
ts.add(new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
putConsumer.accept(array, j%length);
}
}
));
}
ts.forEach(t -> t.start());
// 启动所有线程
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
);
// 等所有线程结束
printConsumer.accept(array);
}
不安全的数组:[]
启动10个线程,每个线程累加1000次。
demo(
()->new int[10],
(array)->array.length,
(array, index) -> array[index]++,
array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
);
安全的数组:AtomicIntegerArray
启动10个线程,每个线程累加1000次。
demo(
()-> new AtomicIntegerArray(10),
(array) -> array.length(),
(array, index) -> array.getAndIncrement(index),
array -> System.out.println(array)
);
结果:[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]
3.原子更新字段
原子更新字段类型:
AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicStampedReference、AtomicReferenceFieldUpdater。
使用上述类的时候，必须遵循以下原则
字段必须是volatile类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见
字段的描述类型是与调用者与操作对象字段的关系一致。
也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。
对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。
只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。
只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater
对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater。
只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型（Integer/Long）。
public class Test5 {
private volatile int field;
public static void main(String[] args) {
AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater =
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
Test5 test5 = new Test5();
fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
// 修改成功 field = 10
System.out.println(test5.field);
// 修改成功 field = 20
fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
System.out.println(test5.field);
// 修改失败 field = 20
fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
System.out.println(test5.field);
}
}
输出:10,20,30
AtomicReferenceFieldUpdater
如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。
这是一个基于反射的工具类，它能对指定类的【指定的volatile引用字段】进行【原子更新】。
注意这个字段是不能被private修饰的。
简单理解：就是对某个类中，被volatile修饰的字段进行原子更新。
利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常。
Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type
AtomicReferenceFieldUpdater 字段更新器，并不是类
Student stu = new Student();
//只是针对Student类的name字段的一个更新器，参数分别是类class,字段class，字段名称
AtomicReferenceFieldUpdater updater =
AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
//更新实例的字段name,参数:实例,期望值，新值。由于实例并没有初始化，因此期望值是null
System.out.println(updater.compareAndSet(stu, null, "张三"));
System.out.println(stu);
输出：
True//代表更新成功
Student{name='张三'}
AtomicReferenceFieldUpdater原理
AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
//其实调用了下面这个代码
return new AtomicReferenceFieldUpdaterImpl<U,W>
(tclass, vclass, fieldName, Reflection.getCallerClass());
//然后使用fieldName获取field,然后获取field的偏移量
offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
//看一下AtomicReferenceFieldUpdaterImpl的compareAndSet方法
public boolean compareAndSet(T obj, V expect, V update) {
if (obj == null || obj.getClass() != tclass || cclass != null ||
(update != null && vclass != null &&
vclass != update.getClass()))
updateCheck(obj, update);
//使用字段偏移量修改字段值
return unsafe.compareAndSwapObject(obj, offset, expect, update);
}
------------------------------------------------------------
//其实最后调用的还是UnsafeAccessor.unsafe的compareAndSwapObject
性能比较:AtomicLong与LongAdder
//4个线程每个人累加50万
private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
T adder = adderSupplier.get();
long start = System.nanoTime();
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
// 4 个线程，每人累加 50 万
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 500000; j++) {
action.accept(adder);
}
}));
}
ts.forEach(t -> t.start());
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
long end = System.nanoTime();
System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {
demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
}
for (int i = 0; i < 5; i++) {
demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
}
输出:
1000000 cost:43
1000000 cost:9
1000000 cost:7
1000000 cost:7
1000000 cost:7
-----------------------------------
1000000 cost:31
1000000 cost:27
1000000 cost:28
1000000 cost:24
1000000 cost:22
性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]...
最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。。
//累加单元数组, 懒惰初始化，如果存在竞争，才会初始化。
transient volatile Cell[] cells;
// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;
// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy;
// 防止缓存行伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
volatile long value;
Cell(long x) { value = x; }
// 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
final boolean cas(long prev, long next) {
return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
}
// 省略不重要代码
}
public long sum() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}
高并发时将对单一变量的CAS操作分散为对数组cells中多个元素的CAS操作，取值时进行求和；
而在并发较低时仅对base变量进行CAS操作。
LongAdder会比AtomicLong更高效了，没错，唯一会制约AtomicLong高效的原因是高并发，高并发意味着CAS的失败几率更高， 重试次数更多，越多线程重试，CAS失败几率又越高，变成恶性循环，AtomicLong效率降低。
那怎么解决？
LongAdder给了我们一个非常容易想到的解决方案：减少并发，将单一value的更新压力分担到多个value中去，降低单个value的 “热度”，分段更新！！！
这样，线程数再多也会分担到多个value上去更新，只需要增加value就可以降低 value的 “热度” AtomicLong中的 恶性循环不就解决了吗？ cells 就是这个 “段” cell中的value 就是存放更新值的， 这样，当我需要总数时，把cells 中的value都累加一下不就可以了么！！
在看看add方法中的代码，casBase方法可不可以不要，直接分段更新,上来就计算 索引位置，然后更新value？
不是不行，而是有所考虑的,因为，casBase操作等价于AtomicLong中的CAS操作，要知道，LongAdder这样的处理方式是有坏处的，分段操作必然带来空间上的浪费，可以空间换时间，但是，能不换就不换，空间时间都节约.
casBase操作保证了在低并发时，不会立即进入分支做分段更新操作，因为低并发时，casBase操作基本都会成功，只有并发高到一定程度了，才会进入分支
原理：www.jianshu.com/p/b3c5b0505…
4.原子更新引用
AtomicReference：用于对引用的原子更新
AtomicMarkableReference：带版本戳的原子引用类型，版本戳类型为boolean。
AtomicStampedReference：带版本戳的原子引用类型，版本戳类型为int。
为什么需要原子引用类型？ 因为不可能给一个类都实现一个原子类！
AtomicReference
public interface DecimalAccount {
// 获取余额
BigDecimal getBalance();
// 取款
void withdraw(BigDecimal 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(DecimalAccount account) {
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
account.withdraw(BigDecimal.TEN);
}
));
}
ts.forEach(Thread::start);
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
}
catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
);
System.out.println(account.getBalance());
}
}
不安全实现
class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
BigDecimal balance;
public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
this.balance = balance;
}
@Override
public BigDecimal getBalance() {
return balance;
}
@Override
public void withdraw(BigDecimal amount) {
BigDecimal balance = this.getBalance();//注意这里线程不安全非原子操作
this.balance = balance.subtract(amount);
}
}
安全实现-使用锁
class DecimalAccountSafeLock implements DecimalAccount {
private final Object lock = new Object();
BigDecimal balance;
public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance) {
this.balance = balance;
}
@Override
public BigDecimal getBalance() {
return balance;
}
@Override
public void withdraw(BigDecimal amount) {
synchronized (lock) {
BigDecimal balance = this.getBalance();
this.balance = balance.subtract(amount);
}
}
}
安全实现-使用 CAS
class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
AtomicReference<BigDecimal> ref;
public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
ref = new AtomicReference<>(balance);
}
@Override
public BigDecimal getBalance() {
return ref.get();
}
@Override
public void withdraw(BigDecimal amount) {
while (true) {
BigDecimal prev = ref.get();
BigDecimal next = prev.subtract(amount);
if (ref.compareAndSet(prev, next)) {
break;
}
}
}
}
AtomicReference:存在ABA问题
static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
log.debug("main start...");
//获取值 A
//这个共享变量被它线程修改过？
String prev = ref.get();
other();
sleep(1);
// A尝试改为 C
log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
}
private static void other() {
//将A改成B
new Thread(() -> {
log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
}, "t1").start();
sleep(0.5);
//将B改成A
new Thread(() -> {
log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
}, "t2").start();
}
输出:
11:29:52.325 c.Test36 [main] - main start...
11:29:52.379 c.Test36 [t1] - change A->B true
11:29:52.879 c.Test36 [t2] - change B->A true
11:29:53.880 c.Test36 [main] - change A->C true
//主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从A改为B又改回A的情况，如果主线程希望：
//只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号
AtomicStampedReference解决ABA
static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
log.debug("main start...");
// 获取值 A
String prev = ref.getReference();
// 获取版本号 即 0
int stamp = ref.getStamp();
log.debug("版本 {}", stamp);
// 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
other();
sleep(1);
// 尝试改为 C 由于A-B B-A 版本号已经发生变化 所以更新不能成功
// 四个参数分别是期望值即旧值:A，新值:C，旧版本号，新版本号
log.debug("change A->C {}，版本号:{}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
}
private static void other() {
new Thread(() -> {
log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
}
, "t1").start();
sleep(0.5);
new Thread(() -> {
log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
}
, "t2").start();
}
15:41:34.891 c.Test36 [main] - main start...
15:41:34.894 c.Test36 [main] - 版本 0
15:41:34.956 c.Test36 [t1] - change A->B true
15:41:34.956 c.Test36 [t1] - 更新版本为 1
15:41:35.457 c.Test36 [t2] - change B->A true
15:41:35.457 c.Test36 [t2] - 更新版本为 2
15:41:36.457 c.Test36 [main] - change A->C false,版本号：0
AtomicMarkableReference解决ABA
AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A ->C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。
有时候,并不关心变量更改了几次,只关心是否更改过，所以就有AtomicMarkableReference。
class GarbageBag {
String desc;
public GarbageBag(String desc) {
this.desc = desc;
}
public void setDesc(String desc) {
this.desc = desc;
}
@Override
public String toString() {
return super.toString() + " " + desc;
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
// 参数2 mark 可以看作一个标记，即数据有没有发生过变化，给默认值是true，表示垃圾袋满了
AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
log.debug("start...");
GarbageBag prev = ref.getReference();
log.debug("袋子状态-1：{}",prev.toString());
new Thread(() -> {
log.debug("start...");
bag.setDesc("空垃圾袋1");
//期望标记是true，满足条件，改变值以后，将true置为false
ref.compareAndSet(prev, bag, true, false);
log.debug("袋子状态-2：{}",bag.toString());
},"保洁阿姨").start();
sleep(1);
log.debug("想换一只新垃圾袋？");
//由于期望值是true，实际标记值是false 所以改变失败
boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋2"), true, false);
log.debug("换成功了么？" + success);
log.debug(ref.getReference().toString());
}
}
输出
09:48:20.146 c.Test38 [main] - start...
09:48:20.149 c.Test38 [main] - 袋子状态-1：cn.itcast.test.GarbageBag@6956de9 装满了垃圾
09:48:20.189 c.Test38 [保洁阿姨] - start...
09:48:20.189 c.Test38 [保洁阿姨] - 袋子状态-2：cn.itcast.test.GarbageBag@6956de9 空垃圾袋1
09:48:21.190 c.Test38 [main] - 想换一只新垃圾袋？
09:48:21.190 c.Test38 [main] - 换成功了么？false
09:48:21.190 c.Test38 [main] - cn.itcast.test.GarbageBag@6956de9 空垃圾袋1
//如果注释掉保洁阿姨更新垃圾袋的操作那么就会更换成功 ref.compareAndSet(prev, bag, true, false);
Unsafe
Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过反射获得。
//使用该类可以获取unsafe对象
public class UnsafeAccessor {
static Unsafe unsafe;
static {
try {
Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafe.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
throw new Error(e);
}
}
static Unsafe getUnsafe() {
return unsafe;
}
}
Unsafe CAS 操作
可参考原子字段更新器，想一想原子字段更新器提供的参数是不是满足了unsafe对象更新字段时的参数？
其实原子字段更新器底层还是使用了unsafe对象的compareAndSwapObject。
@Data
class Student {
volatile int id;
volatile String name;
}
Unsafe unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
//获取id字段
Field id = Student.class.getDeclaredField("id");
//获取name字段
Field name = Student.class.getDeclaredField("name");
// 获得字段的偏移量
long idOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(id);
long nameOffset = UnsafeAccessor.unsafe.objectFieldOffset(name);
Student student = new Student();
// 使用 cas 方法替换成员变量的值,参数：实力对象，字段偏移量，旧值即期望值，新值
UnsafeAccessor.unsafe.compareAndSwapInt(student, idOffset, 0, 20); // 返回 true
UnsafeAccessor.unsafe.compareAndSwapObject(student, nameOffset, null, "张三"); // 返回 true
System.out.println(student);
使用unsafe自定义原子类操作对象
自定义一个int类型的原子操作对象,还可以自定义其他类型的原子操作对象。
class AtomicData {
private volatile int data;
static final Unsafe unsafe;
static final long DATA_OFFSET;
static {
unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
try {
//data属性在DataContainer类中的偏移量
//用于 Unsafe 直接访问该属性
DATA_OFFSET = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicData.class.getDeclaredField("data"));
} catch (NoSuchFieldException e) {
throw new Error(e);
}
}
public AtomicData(int data) {
this.data = data;
}
public void decrease(int amount) {
int oldValue;
while(true) {
// 获取共享变量旧值，可以在这一行加入断点
// 修改 data 调试来加深理解
oldValue = data;
// cas 尝试修改 data 为 旧值 + amount
//如果期间旧值被别的线程改了，返回 false
if (unsafe.compareAndSwapInt
(this, DATA_OFFSET, oldValue, oldValue - amount)){
return;
}
}
}
public int getData() {
return data;
}
}
Account.demo(new Account() {
AtomicData atomicData = new AtomicData(10000);
@Override
public Integer getBalance() {
return atomicData.getData();
}
@Override
public void withdraw(Integer amount) {
atomicData.decrease(amount);
}
});
final
final在Java中是一个保留的关键字，可以声明成员变量、方法、类以及本地变量。
一旦你将引用声明作final，你将不能改变这个引用了，编译器会检查代码，如果你试图将变量再次初始化的话，编译器会报编译错误。
final修饰一个成员变量，必须要显示初始化,初始化时机在构造方法之前,即必须在声明的时候初始化或者在构造器中初始化。
Final变量初始化时机:构造方法之前
package com.dtyunxi.haier.center.account.api.dto.test;
public class Main {
//1.静态变量:随着类的加载而初始化 先于构造方法
private final static int i = 0;
//2.静态代码块中赋值,先于构造代码块执行
static {
k = 2;
}
//3.构造代码块中赋值,先于构造函数执行
private final int m;
//4.构造函数赋值,在构造代码块之后执行
private final int j;
//构造代码块赋值
{
m = 3;
}
public Main(int j) {
this.j = j;
}
public Main() {
this.j = 1;
}
public static void main(String[] args) {
}
}
final修饰变量:常量
final成员变量表示常量，只能被赋值一次，赋值后值不再改变（final要求地址值不能改变）
当final修饰一个基本数据类型时，表示该基本数据类型的值一旦在初始化后便不能发生变化；如果final修饰一个引用类型时，则在对其初始化之后便不能再让其指向其他对象了，但该引用所指向的对象的内容是可以发生变化的。
本质上是一回事，因为引用的值是一个地址，final要求值，即地址的值不发生变化。
final修饰方法:不能被重写
使用final方法的原因有两个。
第一个原因是把方法锁定，以防任何继承类修改它的含义，不能被重写；
第二个原因是效率，final方法比非final方法要快，因为在编译的时候已经静态绑定了，不需要在运行时再动态绑定。
注:类的private方法会隐式地被指定为final方法
package Final;
public class Father {
public final void get(){
System.out.println("父类的get方法");
}
}
package Final;
public class Son extends Father {
public static void main(String[] args) {
Son son = new Son();
son.get();
}
}
final修饰类:类不能被继承
当用final修饰一个类时，表明这个类不能被继承。
final类中的成员变量可以根据需要设为final，但是要注意final类中的所有成员方法都会被隐式地指定为final方法。
在使用final修饰类的时候，要注意谨慎选择，除非这个类真的在以后不会用来继承。
或者出于安全的考虑，尽量不要将类设计为final类。
final的优点:安全&性能
（1）final关键字提高了性能。JVM和Java应用都会缓存final变量。
（2）final变量可以安全的在多线程环境下进行共享，因为只会初始化一次,而不需要额外的同步开销。
（3）使用final关键字，JVM会对方法、变量及类进行优化。
final的重要知识点
- final关键字可以用于成员变量、本地变量、方法以及类。
- final成员变量必须在声明的时候初始化或者在构造器中初始化，否则就会报编译错误。
- 不能够对final变量再次赋值。
- 局部变量必须在声明时赋值。
- 在匿名类中所有变量都必须是final变量,原因是声明周期。
- final方法不能被重写。
- final类不能被继承。
- final关键字不同于finally关键字，后者用于异常处理。
- final关键字容易与finalize()方法搞混，后者是在Object类中定义的方法，是在垃圾回收之前被JVM调用的方法。
- 接口中声明的所有变量本身是final的。
- final和abstract这两个关键字是反相关的，final类就不可能是abstract的。
- final方法在编译阶段绑定，称为静态绑定(static binding)。
- 没有在声明时初始化final变量的称为空白final变量(blank final variable)，它们必须在构造器中初始化，或者调用this()初始化。不这么做的话，编译器会报错“final变量(变量名)需要进行初始化”。
- 将类、方法、变量声明为final能够提高性能，这样JVM就有机会进行估计，然后优化。
- 按照Java代码惯例，final变量就是常量，而且通常常量名要大写。
- 对于集合对象声明为final指的是引用不能被更改，但是你可以向其中增加，删除或者改变内容。
Final原理:读写屏障
理解了 volatile 原理，再对比 final 的实现就比较简单了。
对final变量的写指令加入写屏障。也就是类初始化的赋值的时候会加上写屏障。
对final变量的读指令加入读屏障。加载内存中final变量的最新值。
public class TestFinal {
final int a = 20;
}
0: aload_0
1: invokespecial #1 // Method java/lang/Object."<init>":()V
4: aload_0
5: bipush 20
7: putfield #2 // Field a:I
<-- 写屏障
10: return
发现 final 变量的赋值也会通过 putfield 指令来完成，同样在这条指令之后也会加入写屏障，保证在其它线程读到它的值时不会出现为 0 的情况。
写屏障会确保指令重排序时，不会将写屏障之前的代码排在写屏障之后。
写屏障（sfence）保证在该屏障之前对共享变量的改动，都同步到主存当中。
读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据。
读屏障会确保指令重排序时，不会将读屏障之后的代码排在读屏障之前。
对于final域，编译器和处理器要遵守两个重排序规则：
1.在构造函数内对一个final域的写入，与随后把这个被构造对象的引用赋值给一个引用变量，这两个操作之间不能重排序。（必须先写入final变量，然后其他线程才能调用该对象引用）。即依赖关系
原因：编译器会在final域的写之后，插入一个写屏障
final int a =1;
int b =a;
a的初始化一定在b初始化之前。
2.初次读一个包含final域的对象的引用，与随后初次读这个final域，这两个操作之间不能重排序。（先读对象的引用，后读final变量）编译器会在读final域操作的前面插入一个读屏障。
int a =1;
final int b =a;
a的初始化一定在b初始化之前。
读取final变量时，没有使用到final变量所在的类中的数据，对于较小的数据，直接在栈内存使用的是bipush指令
如果数据较大会复制一份到方法栈的常量池。
