Java 高并发四：无锁详细介绍

Java 高并发四：无锁详细介绍

一、无锁简介

在多线程编程中，使用锁是一种常见的同步机制，但是锁机制存在一些问题。比如，读多写少的情况下，使用锁会造成不必要的阻塞；另外，锁机制可能导致死锁问题。因此，一些场景下，无锁编程可以作为一种替代方案。

二、无锁机制原理

在无锁编程中，通过使用原子类（Atomic Class）来实现多线程操作。原子类能够确保被操作的数据能够以原子操作的方式进行修改，即在一次操作期间，其他线程无法访问该数据。

Java 中的原子类主要包括 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference。这些类在 JDK1.5 中被引入，可以通过 CAS（Compare And Swap）算法来实现无锁编程。

CAS 算法的原理是：在操作变量前，先读取变量的值，然后计算出该变量新的值，最后用 CAS 操作更新变量的值。如果更新成功，则操作结束；否则，重新执行整个操作。CAS 算法是通过 CPU 的原语指令实现的，因此能够保证原子性。而在无锁编程中，就可以使用 CAS 算法来解决多线程同时访问一个共享变量的问题。

三、无锁编程示例

下面通过两个示例来说明无锁编程的应用。

1、使用 AtomicInteger 实现计数器

AtomicInteger 用于操作 int 类型的数据，并且保证操作的原子性。下面的示例展示了如何使用 AtomicInteger 实现一个计数器，对该计数器进行加一和打印操作。

public class AtomicCounter {
    private AtomicInteger counter;

    public AtomicCounter() {
        counter = new AtomicInteger(0);
    }

    public void increase() {
        counter.incrementAndGet();
    }

    public void print() {
        System.out.println("Counter: " + counter.get());
    }
}

public class AtomicCounterTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicCounter counter = new AtomicCounter();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    counter.increase();
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(1000);
        counter.print();
    }
}

在上述代码中，使用 AtomicInteger 实例化了一个计数器 counter，并在增加计数器值时调用了 counter.incrementAndGet() 方法，该方法保证了操作的原子性。在测试代码中，启动了 10 个线程，每个线程分别对计数器进行 10 次加一操作，并在主线程中等待一段时间后，输出计数器的值。输出的结果为 Counter: 100，说明使用 AtomicInteger 实现的计数器实现了线程安全。

2、使用 AtomicStampedReference 保证数据一致性

在多线程环境中，可能存在数据不一致的问题，如下面的示例所示：

public class DataProblem {
    private static int data = 0;
    static class ReadThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            if (data == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Data has changed!");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                data = data + 1;
            }).start();
        }

        // 等待所有线程结束，防止数据不一致的情况出现
        Thread.sleep(1000);

        // 开启读线程
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new ReadThread()).start();
        }
    }
}

在上述代码中，启动了 10 个线程对 data 进行加法操作，并在主线程中等待一段时间。之后，开启了 100 个线程读取 data 的值，如果 data 等于 0，则输出”Data has changed!”。由于数据操作不是原子性的，因此在多线程情况下，可能存在数据不一致的情况。为了解决这个问题，可以使用 AtomicStampedReference 类来保证数据一致性。

public class DataProblemSolution {
    static AtomicStampedReference<Integer> ref =
            new AtomicStampedReference<Integer>(0, 0);

    static class ReadThread implements Runnable {
        @Override
        public void run() {
            Integer data = ref.getReference();
            int stamp = ref.getStamp();
            if (data == 0) {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ": Data has changed!");
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 生成带有时间戳的初始值
        ref.set(0, 0);
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                // 获取当前时间戳
                int stamp = ref.getStamp();
                while (!ref.compareAndSet(ref.getReference(), ref.getReference() + 1,
                        stamp, stamp + 1)) {
                    stamp = ref.getStamp();
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程结束，防止数据不一致的情况出现
        Thread.sleep(1000);

        // 开启读线程
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(new ReadThread()).start();
        }
    }
}

在上述代码中，使用了 AtomicStampedReference 实例化的 ref，它带有时间戳的初始值为 0，并且在每次数据修改时，该值会增加 1。在多线程修改 ref 的值时，使用了 ref.compareAndSet() 方法来进行 CAS 操作，同时把时间戳作为版本号，在每次修改完成后时间戳会自增。在测试代码中，开启了 10 个线程对 ref 进行加法操作，并在主线程中等待一段时间后，开启了 100 个线程读取 ref 的值，如果 ref 等于 0，则输出”Data has changed!”。结果证明使用 AtomicStampedReference 达到了数据的一致性。

四、总结

无锁编程是一种性能更高的多线程编程方式，能够减少锁带来的一些问题。Java 中的原子类主要用于实现无锁编程，可以通过 CAS 算法实现原子性操作。在实际编程中，可以使用 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference 等类进行无锁编程。在通过无锁编程实现多线程共享变量操作时，需要注意原子类的使用，保证数据的一致性。