Java語言中cas指令的無鎖編程實現實例

最開始接觸到相關的內容應該是從volatile關鍵字開始的吧，知道它可以保證變量的可見性，而且利用它可以實現讀與寫的原子操作。。。但是要實現一些復合的操作volatile就無能為力了。。。最典型的代表是遞增和遞減的操作。。。。

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我們知道，在并發(fā)的環(huán)境下，要實現數據的一致性，最簡單的方式就是加鎖，保證同一時刻只有一個線程可以對數據進行操作。。。。例如一個計數器，我們可以用如下的方式來實現：

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;
  }
}

我們對操作都用synchronized關鍵字進行修飾，保證對屬性a的同步訪問。。。這樣子確實可以保證在并發(fā)環(huán)境下a的一致性，但是由于使用了鎖，鎖的開銷，線程的調度等等會使得程序的伸縮性受到了限制，于是就有了很多無鎖的實現方式。。。。

其實這些無鎖的方法都利用了處理器所提供的一些CAS（compare and switch）指令，這個CAS到底干了啥事情呢，可以用下面這個方法來說明CAS所代表的語義：

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

好吧，通過代碼應該對CAS語義的標書很清楚了吧，好像現在大多數的處理器都實現了原子的CAS指令了吧。。
好啦，那么接下來來看看在java中CAS都用在了什么地方了吧，首先來看AtomicInteger類型吧，這個是并發(fā)庫里面提供的一個類型：

private volatile int value;

這個是內部定義的一個屬性吧，用于保存值，由于是volatile類型的，所以可以保證線程之間的可見性以及讀寫的原子性。。。
那么接下來來看看幾個比較常用的方法：

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

這個方法的作用是在當前值的基礎上加上delta，這里可以看到整個方法中并沒有加鎖，這代碼其實就算是java中實現無鎖計數器的方法，這里compareAndSet方法的定義如下：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

由于調用了unsafe的方法，所以這個就無能為力了，其實應該能猜到JVM調用了處理器本身的CAS指令來實現原子的操作。。。

基本上AtomicInteger類型的重要方法都是采用無鎖的方式實現的。。因此在并發(fā)環(huán)境下，用這種類型能有更好的性能。。。
上面算是搞定了在java中實現無鎖的計數器，接下來來看看如何實現無鎖棧，直接貼代碼了，代碼是從《JAVA并發(fā)編程實戰(zhàn)》中模仿下來的：

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，上面的代碼就算是實現了一個無鎖的棧，簡單吧。。。在并發(fā)環(huán)境中，無鎖的數據結構伸縮性能夠比用鎖好得多。。。
在提到無鎖編程的時候，就不得不提到無鎖隊列，其實在concurrent庫中已經提供了無鎖隊列的實現:ConcurrentLinkedQueue，我們來看看它的重要的方法實現吧：

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;
  }
}

這個方法用于在隊列的尾部添加元素，這里可以看到沒有加鎖，對于具體的無鎖算法，采用的是Michael-Scott提出的非阻塞鏈表鏈接算法。。。具體是怎么樣子的，可以到《JAVA并發(fā)編程實戰(zhàn)》中去看吧，有比較詳細的介紹。

另外對于其他方法，其實都是采用無鎖的方式實現的。

最后，在實際的編程中，在并發(fā)環(huán)境中最好還是采用這些無鎖的實現，畢竟它的伸縮性更好。

總結

以上是本文關于Java語言中cas指令的無鎖編程實現實例的全部介紹，希望對大家有所幫助！

標題名稱：Java語言中cas指令的無鎖編程實現實例
標題鏈接：http://www.rwnh.cn/article2/psgcic.html

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