知识大全多核线程-volatile原理与技巧

Posted 2022-07-18 操作

篇首语：越工作越能工作，越忙碌越能发明出闲暇。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了知识大全多核线程-volatile原理与技巧相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

　　为什么使用volatile比同步代价更低？

　　同步的代价主要由其覆蓋范围决定如果可以降低同步的覆蓋范围则可以大幅提升程序性能

　　而volatile的覆蓋范围仅仅变量级别的因此它的同步代价很低

　　volatile原理是什么？

　　volatile的语义其实是告诉处理器不要将我放入工作内存请直接在主存操作我（工作内存详见java内存模型）

　　因此当多核或多线程在访问该变量时都将直接操作主存这从本质上做到了变量共享

　　volatile的有什么优势？

　　更大的程序吞吐量

　　更少的代码实现多线程

　　程序的伸缩性较好

　　比较好理解无需太高的学习成本

　　volatile有什么劣势？

　　容易出问题

　　比较难设计

　　volatile运算存在脏数据问题

　　volatile仅仅能保证变量可见性无法保证原子性

　　volatile的race condition示例

　　public class TestRaceCondition 　　private volatile int i = ; 　　public void increase() 　　i++; 　　　　public int getValue() 　　return i; 　　　　

　　当多线程执行increase方法时是否能保证它的值会是线性递增的呢？

　　答案是否定的

　　原因

　　这里的increase方法执行的操作是i++ 即 i = i +

　　针对i = i + 在多线程中的运算本身需要改变i的值

　　如果在i已从内存中取到最新值但未与进行运算此时其他线程已数次将运算结果赋值给i

　　则当前线程结束时之前的数次运算结果都将被覆蓋

　　即执行次increase 可能结果是 <

　　一般来说这种情况需要较高的压力与并发情况下才会出现

　　如何避免这种情况？

　　解决以上问题的方法

　　一种是操作时加上同步

　　这种方法无疑将大大降低程序性能且违背了volatile的初衷

　　第二种方式是使用硬件原语（CAS）实现非阻塞算法

　　从CPU原语上支持变量级别的低开销同步

　　CPU原语比较并交换（CompareAndSet）实现非阻塞算法

　　什么是CAS？

　　cas是现代CPU提供给并发程序使用的原语操作不同的CPU有不同的使用规范

　　在 Intel 处理器中比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现

　　PowerPC 处理器有一对名为加载并保留和条件存储的指令它们实现相同的目地

　　MIPS 与 PowerPC 处理器相似除了第一个指令称为加载链接

　　CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）预期原值（A）和新值（B）

　　什么是非阻塞算法？

　　一个线程的失败或挂起不应该影响其他线程的失败或挂起这类算法称之为非阻塞（nonblocking）算法

　　对比阻塞算法

　　如果有一类并发操作其中一个线程优先得到对象监视器的锁当其他线程到达同步边界时就会被阻塞

　　直到前一个线程释放掉锁后才可以继续竞争对象锁（当然这里的竞争也可是公平的按先来后到的次序）

　　CAS 原理

　　我认为位置 V 应该包含值 A 如果包含该值则将 B 放到这个位置否则不要更改该位置只告诉我这个位置现在的值即可

　　CAS使用示例（jdk 并发包 AtomicInteger类分析

　　/** 　　* Atomically sets to the given value and returns the old value 　　* 　　* @param newValue the new value 　　* @return the previous value 　　*/ public final int getAndSet(int newValue) 　　for (;;) 　　int current = get(); 　　if (pareAndSet(current newValue)) 　　return current; 　　　　　　public final boolean pareAndSet(int expect int update) 　　return pareAndSwapInt(this valueOffset expect update); 　　

　　这个方法是 AtomicInteger类的常用方法作用是将变量设置为指定值并返回设置前的值

　　它利用了cpu原语pareAndSet来保障值的唯一性

　　另 AtomicInteger类中其他的实用方法也是基于同样的实现方式

　　比如 getAndIncrement getAndDecrement getAndAdd等等

　　CAS语义上存在的 ABA 问题

　　什么是ABA问题？

　　假设第一次读取V地址的A值然后通过CAS来判断V地址的值是否仍旧为A 如果是就将B的值写入V地址覆蓋A值

　　但是语义上有一个漏洞当第一次读取V的A值此时内存V的值变为B值然后在未执行CAS前又变回了A值

　　此时 CAS再执行时会判断其正确的并进行赋值

　　这种判断值的方式来断定内存是否被修改过针对某些问题是不适用的

　　为了解决这种问题 jdk 并发包提供了AtomicStampedReference（有标记的原子引用）类通过控制变量值的版本来保证CAS正确性

　　其实大部分通过值的变化来CAS 已经够用了

　　jdk 原子包介绍（基于volatile）

　　包的特色

　　普通原子数值类型AtomicInteger AtomicLong提供一些原子操作的加减运算

　　使用了解决脏数据问题的经典模式比对后设定即查看主存中数据是否与预期提供的值一致如果一致才更新

　　使用AtomicReference可以实现对所有对象的原子引用及赋值包括Double与Float

　　但不包括对其的计算浮点的计算只能依靠同步关键字或Lock接口来实现了

　　对数组元素里的对象符合以上特点的也可采用原子操作包里提供了一些数组原子操作类

　　AtomicIntegerArray AtomicLongArray等等

cha138/Article/program/Java/gj/201311/27580

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