Java多線程之CAS算法實(shí)現(xiàn)線程安全

“?！保╯tack）是大家經(jīng)常使用的抽象數(shù)據(jù)類型（啥？！不知道，請自行百度）?！皸！睗M足“后進(jìn)先出”特性。我們用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)完成一個(gè)簡單的實(shí)現(xiàn)：

public class Stack<E> {
//鏈表結(jié)構(gòu)頭部節(jié)點(diǎn)
private Node<E> head;
/**
* 入棧
* @param item
*/
public void push(E item) {
//為新插入item創(chuàng)建一個(gè)新node
Node<E> newHead = new Node<>(item);
if(head!=null){
//將新節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向原來的頭部
newHead.next = head;
}
//將頭部指向新的節(jié)點(diǎn)
head=newHead;
}
/**
* 出棧
* @return
*/
public E pop() {
if(head==null){
//當(dāng)前鏈表為空
return null;
}
//暫存當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。
Node<E> oldHead=head;
//將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
head=head.next;
//從暫存的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)記錄返回?cái)?shù)據(jù)
return oldHead.item;
}
/**
* 鏈表中的節(jié)點(diǎn)
* @param <E>
*/
private static class Node<E> {
//節(jié)點(diǎn)保存的數(shù)據(jù)
public final E item;
//指向下一個(gè)鏈表中下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
public Node<E> next;
public Node(E item) {
this.item = item;
}
}
}

代碼使用鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“?！保赟tack中維護(hù)一個(gè)鏈表的“頭部節(jié)點(diǎn)”，通過對頭部節(jié)點(diǎn)的操作完成入棧和出棧操作。

我們運(yùn)行代碼測試一下：

public static void main(String[] args) {
Stack<Integer> stack=new Stack<>();
for (int i = 0; i < 3; i++) {
//入棧1、2、3
stack.push(i+1);
}
for (int i = 0; i < 3; i++) {
//出棧3、2、1
System.out.println(stack.pop());
}
}

結(jié)果為：

3
2
1

我們使用入棧方法向Stack插入1、2、3，使用出棧方法打印為3、2、1，符合預(yù)期。

2.讓多線程搗搗亂

前面我們已經(jīng)測試過我們的方法，符合我們對Stack功能的預(yù)期，那是不是任何情況先我們的“?！倍寄苷９ぷ髂?？

我們運(yùn)行如下代碼：

public static void main(String[] args) {
Stack<Integer> stack=new Stack<>();
int max=3;
Thread[] threads=new Thread[max];
for (int i = 0; i < max; i++) {
int temp=i;
//入棧1、2、3
Thread thread=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
stack.push(temp+1);
}
});
thread.start();
threads[temp]=thread;
}
//等待所有線程完成。
for (int i = 0; i < max; i++) {
try {
threads[i].join();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
for (int i = 0; i < max; i++) {
//出棧3、2、1
System.out.println(stack.pop());
}
}

你可能運(yùn)行了很多次，每次運(yùn)行時(shí)除了打印順序（3、2、1或2、3、1或1、2、3）有變化之外也沒有發(fā)現(xiàn)其他異常，你可能會(huì)說打印順序變化很正常呀，因?yàn)槲覀兊膶⑷霔２僮鞣诺疆惒骄€程中操作，三個(gè)線程的執(zhí)行過程由系統(tǒng)調(diào)度，所以入棧操作的內(nèi)容自然每次都有可能不同。

好吧，你說的沒錯(cuò)，至少從大量運(yùn)行的結(jié)果上看是這樣的，但是這就是多線程編程的奇（tao）幻(yan)之處，也許你運(yùn)行一次沒有問題，兩次沒有問題，一萬次也沒有問題，但是終有一次你會(huì)得到那個(gè)意想不到的結(jié)果（你也不想得到，因?yàn)槟鞘莃ug）。這就像一個(gè)“黑天鵝事件”，小概率但是一定會(huì)發(fā)生，且發(fā)生后對你的系統(tǒng)影響不堪設(shè)想。
下面讓我?guī)憧纯慈绾蔚玫揭饬现獾慕Y(jié)果：

我們使用調(diào)試模式運(yùn)行上面的程序在Stack中push()方法第一行打一個(gè)斷點(diǎn)，然后按照表格中的順序切換不同的線程以單步調(diào)試（step over）方式運(yùn)行run方法中的每一步，直到遇到Resume。

當(dāng)你再次看到打印結(jié)果，你會(huì)發(fā)現(xiàn)結(jié)果為3、1、null，“黑天鵝”出現(xiàn)了。

異常結(jié)果是如何產(chǎn)生的？

1.當(dāng)thread-0執(zhí)行到順序3時(shí)，head表示的鏈表為node(1)。

2.當(dāng)thread-1執(zhí)行到順序10時(shí)，head表示的鏈表為node(2)->node(1)。

3.當(dāng)thread-2執(zhí)行到順序11時(shí)，head表示的鏈表為node(3)->node(1)。

當(dāng)三個(gè)線程都執(zhí)行完畢之后，head的最終表示為node(3)->node(1)，也就是說thread-2將thread-1的執(zhí)行結(jié)果覆蓋了。

語句newHead.next = head;是對頭部節(jié)點(diǎn)的讀取。語句head=newHead;是對頭部節(jié)點(diǎn)的寫入操作。這兩條語句組成了一個(gè)“讀取——設(shè)置——寫入”語句模式（就像n=n+1）。
如果一個(gè)線程執(zhí)行了共享頭部變量讀取語句，切換其他線程執(zhí)行了修改共享變量的值，再切回到第一個(gè)線程后，第一個(gè)線程中修改頭部結(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)就不是最新的數(shù)據(jù)為依據(jù)的，所以修改之后其他線程的修改就被覆蓋了。
只有保證這兩條語句及中間語句以原子方式執(zhí)行，才能避免多線程覆蓋問題。
大家可以任意調(diào)整代碼中讀取頭部節(jié)點(diǎn)和寫入頭部節(jié)點(diǎn)的調(diào)試順序，制造多線程交錯(cuò)讀寫觀察不同的異常結(jié)果。

為什么我們直接執(zhí)行無法看到異常結(jié)果呢？

因?yàn)槲覀兊膔un方法很簡單，在CPU分配的時(shí)間片內(nèi)能運(yùn)行完，沒有出現(xiàn)在不同的運(yùn)行周期中交錯(cuò)運(yùn)行的狀態(tài)。所以我們才要用調(diào)試模式這種交錯(cuò)運(yùn)行。

為什么上文中我說過這種異常一定會(huì)發(fā)生？

原因在于我們在Stack類中對共享的、可變的變量head進(jìn)行的多線程讀寫操作。

怎么才能保證類Stack在多線程情況下運(yùn)行正確？

引用一段《JAVA并發(fā)編程實(shí)踐》中的話：

無論何時(shí)，只要有多于一個(gè)的線程訪問給定的狀態(tài)變量，而且其中某個(gè)線程會(huì)寫入該變量，此時(shí)必須使用同步來協(xié)調(diào)線程對該變量的訪問。

好吧，看來我們必須采用“同步”方法了，來保障我們的Stack類在多線程并行和單線程串行的情況下都有正確的結(jié)果，也就是說將Stack變成一個(gè)線程安全的類。

3.讓你搗亂，請家長！

既然多線程總來搗亂，我們就請他的家長，讓家長管管他，守守規(guī)矩，不在搗亂。
我們已經(jīng)知道了Stack類問什么不能再多線程下正確的運(yùn)行的原因，所有我們要限制多線程對Stack類中head變量的并發(fā)寫入，Stack方法中push()和pop()方法都會(huì)對head進(jìn)行寫操作，所以要限制這兩個(gè)方法不能多線程并發(fā)訪問，所以我們想到了synchronized關(guān)鍵字。

程序重構(gòu)：

public class SynchronizedStack<E> {
//鏈表結(jié)構(gòu)頭部節(jié)點(diǎn)
private Node<E> head;
/**
* 入棧
* @param item
*/
public synchronized void push(E item) {
//為新插入item創(chuàng)建一個(gè)新node
Node<E> newHead = new Node<>(item);
if(head!=null){
//將新節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向原來的頭部
newHead.next = head;
}
//將頭部指向新的節(jié)點(diǎn)
head=newHead;
}
/**
* 出棧
* @return
*/
public synchronized E pop() {
if(head==null){
//當(dāng)前鏈表為空
return null;
}
//暫存當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。
Node<E> oldHead=head;
//將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
head=head.next;
//從暫存的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)記錄返回?cái)?shù)據(jù)
return oldHead.item;
}
/**
* 鏈表中的節(jié)點(diǎn)
* @param <E>
*/
private static class Node<E> {
//節(jié)點(diǎn)保存的數(shù)據(jù)
public final E item;
//指向下一個(gè)鏈表中下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
public Node<E> next;
public Node(E item) {
this.item = item;
}
}
}

將Stack類替換為SynchronizedStack類的測試方法。

public static void main(String[] args) {
SynchronizedStack<Integer> stack=new SynchronizedStack<>();
int max=3;
Thread[] threads=new Thread[max];
for (int i = 0; i < max; i++) {
int temp=i;
//入棧1、2、3
Thread thread=new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
stack.push(temp+1);
}
});
thread.start();
threads[temp]=thread;
}
//等待所有線程完成。
for (int i = 0; i < max; i++) {
try {
threads[i].join();
} catch (InterruptedException e) {
}
}
for (int i = 0; i < max; i++) {
//出棧3、2、1
System.out.println(stack.pop());
}
}

我們再次運(yùn)行第二章為多線程準(zhǔn)備的測試方法，發(fā)現(xiàn)當(dāng)執(zhí)行一個(gè)線程的方法時(shí)，其他線程的方法均被阻塞，只能等到第一個(gè)線程方法執(zhí)行完成之后才能執(zhí)行其他線程方法。

我們只不過是在push()和pop()方法上加入了synchronized 關(guān)鍵字，就將這兩個(gè)方法編程了同步方法，在多線程并發(fā)的情況下也如同單線程串行調(diào)用一般，方法再不能在線程間交替運(yùn)行，也就不能對head變量做并發(fā)更改了，這樣修改的Stack類就是線程安全的了。

除了synchronized關(guān)鍵字，還有其他的方式實(shí)現(xiàn)加鎖嗎？

除了synchronized關(guān)鍵字還可以使用java.util.concurrent.locks包中各種鎖來保證同步，但是大概思路都是相同的，都是使用阻塞其他線程的方式在達(dá)到防止并發(fā)寫入的目的。

阻塞線程是否會(huì)影響執(zhí)行效率？

如果和不加通過的“?！鳖愊啾?，在多線程執(zhí)行的之后效率一定會(huì)有影響，因?yàn)橥椒椒ㄏ拗屏司€程之間的并發(fā)性，但是為了保證“棧”類的在多線程環(huán)境時(shí)功能正確，我們不得不做出效率和正確性的權(quán)衡。

必須要對整個(gè)方法加上鎖嗎？

我們上面已經(jīng)分析了需要加鎖的范圍，只要保證讀取頭部節(jié)點(diǎn)和寫入頭部節(jié)點(diǎn)之間的語句原子性就可以。所以我們可以這樣執(zhí)行。

/**
* 入棧
*
* @param item
*/
public void push(E item) {
//為新插入item創(chuàng)建一個(gè)新node
Node<E> newHead = new Node<>(item);
synchronized (this) {
if (head != null) {
//將新節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)指向原來的頭部
newHead.next = head;
}
//將頭部指向新的節(jié)點(diǎn)
head = newHead;
}
}
/**
* 出棧
*
* @return
*/
public E pop() {
synchronized (this) {
if (head == null) {
//當(dāng)前鏈表為空
return null;
}
//暫存當(dāng)前節(jié)點(diǎn)。
Node<E> oldHead = head;
//將當(dāng)前節(jié)點(diǎn)指向當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的下一個(gè)節(jié)點(diǎn)
head = head.next;
//從暫存的當(dāng)前節(jié)點(diǎn)記錄返回?cái)?shù)據(jù)
return oldHead.item;
}
}

通過synchronized塊實(shí)現(xiàn)，因?yàn)榉椒ū容^簡單，所以也沒有很明顯的縮小加鎖范圍。

除了加鎖的方式，是否還有其他方式？

當(dāng)然，我們還有無鎖化編程來解決線程之間同步的問題。這就是下面要介紹的比較交換算法。

4.換個(gè)思路，樂觀一點(diǎn)

加鎖實(shí)現(xiàn)線程同步的方式是預(yù)防性方式。無論共享變量是否會(huì)被并發(fā)修改，我們都只允許同一時(shí)刻只有一個(gè)線程運(yùn)行方法來阻止并發(fā)發(fā)生。這就相當(dāng)于我們假設(shè)并發(fā)一定會(huì)發(fā)生，所以比較悲觀。

現(xiàn)在我們換一種思路，樂觀一點(diǎn)，不要假設(shè)對變量的并發(fā)修改一定發(fā)生，這樣也就不用對方法加鎖阻止多線程并行運(yùn)行方法了。但是一旦發(fā)生了并發(fā)修改，我們想法發(fā)解決就是了，解決的方法就是將這個(gè)操作重試一下。

繼續(xù)重構(gòu)“?！贝a：

public class TreiberStack<E> {
private AtomicReference<Node<E>> headNode = new AtomicReference<>();
public void push(E item) {
Node<E> newHead = new Node<>(item);
Node<E> oldHead;
do {
oldHead = headNode.get();
newHead.next = oldHead;
} while (!headNode.compareAndSet(oldHead, newHead));
}
public E pop() {
Node<E> oldHead;
Node<E> newHead;
do {
oldHead = headNode.get();
if (oldHead == null)
return null;
newHead = oldHead.next;
} while (!headNode.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;
}
}
}

這個(gè)就是大名鼎鼎的Treiber Stack，我也只是做了一次代碼的搬運(yùn)工。
我們來看看TreiberStack和我們前面的Stack有什么不同。

首先關(guān)注第一行：

private AtomicReference<Node<E>> headNode = new AtomicReference<>();

我們用了一個(gè)AtomicReference類存儲(chǔ)鏈表的頭部節(jié)點(diǎn)，這個(gè)類可以獲取存儲(chǔ)對象的最新值，并且在修改存儲(chǔ)值時(shí)候采用比較交換算法保證原子操作，具體大家可以自行百度。

然后重點(diǎn)關(guān)注pop()和push()方法中都有的一個(gè)代碼結(jié)構(gòu)：

//略...
do {
oldHead = headNode.get();
//略...
} while (!headNode.compareAndSet(oldHead, newHead));
//略...

我們AtomicReference中get()方法最新的獲取頭部節(jié)點(diǎn)，然后調(diào)用AtomicReference中compareAndSet()將設(shè)置新頭部節(jié)點(diǎn)，如果當(dāng)前線程執(zhí)行這兩端代碼的時(shí)候如果有其他已經(jīng)修改了頭部節(jié)點(diǎn)的值，'compareAndSet()'方法返回false ,表明修改失敗，循環(huán)繼續(xù)，否則修改成功，跳出循環(huán)。

這樣一個(gè)代碼結(jié)構(gòu)和synchronized關(guān)鍵字修飾的方法一樣，都保證了對于頭部節(jié)點(diǎn)的讀取和寫入操作及中間代碼在一個(gè)線程下原子執(zhí)行，前者是通過其他線程修改過就重試的方式，后者通過阻塞其他線程的方式，一個(gè)是樂觀的方式，一個(gè)是悲觀的方式。

大家可以按照前面的例子自己寫測試方法測試。

后記

我們通過對“?！钡囊徊揭徊酱a重構(gòu)，逐步介紹了什么是線程安全及保證線程安全的各種方法。這里需要說明一點(diǎn)，對于一個(gè)類來說，是否需要支持線程安全是由類的使用場景決定，不是有類所提供的功能決定的，如果一個(gè)類不會(huì)被應(yīng)用于多線程的情況下也就無需將他轉(zhuǎn)化為線程安全的類。

以上就是本文的全部內(nèi)容，希望對大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持億速云。