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一熙涤、前情回顧
上篇文章給大家聊了一下volatile的原理，具體參見(jiàn)：《大白話聊聊Java并發(fā)面試問(wèn)題之volatile到底是什么饱溢？》庭猩。
這篇文章給大家聊一下java并發(fā)包下的CAS相關(guān)的原子操作，以及Java 8如何改進(jìn)和優(yōu)化CAS操作的性能纸泡。
因?yàn)锳tomic系列的原子類(lèi)漂问，無(wú)論在并發(fā)編程、JDK源碼女揭、還是各種開(kāi)源項(xiàng)目中蚤假，都經(jīng)常用到。而且在Java并發(fā)面試中吧兔，這一塊也屬于比較高頻的考點(diǎn)磷仰，所以還是值得給大家聊一聊。
二境蔼、場(chǎng)景引入灶平，問(wèn)題凸現(xiàn)
好伺通，我們正式開(kāi)始！假設(shè)多個(gè)線程需要對(duì)一個(gè)變量不停的累加1逢享，比如說(shuō)下面這段代碼：
實(shí)際上罐监，上面那段代碼是不ok的，因?yàn)槎鄠€(gè)線程直接這樣并發(fā)的對(duì)一個(gè)data變量進(jìn)行修改瞒爬，是線程不安全性的行為弓柱，會(huì)導(dǎo)致data值的變化不遵照預(yù)期的值來(lái)改變。
舉個(gè)例子侧但，比如說(shuō)20個(gè)線程分別對(duì)data執(zhí)行一次data++操作矢空，我們以為最后data的值會(huì)變成20，其實(shí)不是禀横。
最后可能data的值是18妇多，或者是19，都有可能燕侠，因?yàn)槎嗑€程并發(fā)操作下者祖，就是會(huì)有這種安全問(wèn)題，導(dǎo)致數(shù)據(jù)結(jié)果不準(zhǔn)確绢彤。
至于為什么會(huì)不準(zhǔn)確七问？那不在本文討論的范圍里，因?yàn)檫@個(gè)一般只要是學(xué)過(guò)java的同學(xué)茫舶，肯定都了解過(guò)多線程并發(fā)問(wèn)題械巡。
三、初步的解決方案：synchronized
所以饶氏，對(duì)于上面的代碼讥耗，一般我們會(huì)改造一下，讓他通過(guò)加鎖的方式變成線程安全的：
這個(gè)時(shí)候疹启，代碼就是線程安全的了古程，因?yàn)槲覀兗恿?strong>synchronized，也就是讓每個(gè)線程要進(jìn)入increment()方法之前先得嘗試加鎖喊崖，同一時(shí)間只有一個(gè)線程能加鎖挣磨，其他線程需要等待鎖。
通過(guò)這樣處理荤懂，就可以保證換個(gè)data每次都會(huì)累加1茁裙，不會(huì)出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯(cuò)亂的問(wèn)題。但是相當(dāng)于N個(gè)線程一個(gè)一個(gè)的排隊(duì)在更新那個(gè)數(shù)值节仿。
而且如此簡(jiǎn)單的data++操作晤锥，都要加一個(gè)重磅的synchronized鎖來(lái)解決多線程并發(fā)問(wèn)題，就有點(diǎn)殺雞用牛刀廊宪，大材小用了矾瘾。
雖然隨著Java版本更新眉踱，也對(duì)synchronized做了很多優(yōu)化，但是處理這種簡(jiǎn)單的累加操作霜威，仍然顯得“太重了”谈喳。人家synchronized是可以解決更加復(fù)雜的并發(fā)編程場(chǎng)景和問(wèn)題的。
而且戈泼，在這個(gè)場(chǎng)景下婿禽，你要是用synchronized，不就相當(dāng)于讓各個(gè)線程串行化了么大猛？一個(gè)接一個(gè)的排隊(duì)扭倾，加鎖，處理數(shù)據(jù)挽绩，釋放鎖膛壹，下一個(gè)再進(jìn)來(lái)。
四唉堪、更高效的方案：Atomic原子類(lèi)及其底層原理
對(duì)于這種簡(jiǎn)單的data++類(lèi)的操作模聋，其實(shí)我們完全可以換一種做法，java并發(fā)包下面提供了一系列的Atomic原子類(lèi)唠亚，比如說(shuō)AtomicInteger链方。
他可以保證多線程并發(fā)安全的情況下，高性能的并發(fā)更新一個(gè)數(shù)值灶搜。我們來(lái)看下面的代碼：
大家看上面的代碼祟蚀，是不是很簡(jiǎn)單！多個(gè)線程可以并發(fā)的執(zhí)行AtomicInteger的incrementAndGet()方法割卖，意思就是給我把data的值累加1前酿，接著返回累加后最新的值。
這個(gè)代碼里鹏溯，就沒(méi)有看到加鎖和釋放鎖這一說(shuō)了吧罢维！
實(shí)際上，****Atomic原子類(lèi)底層用的不是傳統(tǒng)意義的鎖機(jī)制剿涮，而是無(wú)鎖化的CAS機(jī)制言津，通過(guò)CAS機(jī)制保證多線程修改一個(gè)數(shù)值的安全性
那什么是CAS呢攻人？他的全稱是：Compare and Set取试，也就是先比較再設(shè)置的意思。
假如說(shuō)有3個(gè)線程并發(fā)的要修改一個(gè)AtomicInteger的值怀吻，他們底層的機(jī)制如下：
首先瞬浓，每個(gè)線程都會(huì)先獲取當(dāng)前的值，接著走一個(gè)原子的CAS操作蓬坡，原子的意思就是這個(gè)CAS操作一定是自己完整執(zhí)行完的猿棉，不會(huì)被別人打斷磅叛。
然后CAS操作里，會(huì)比較一下說(shuō)萨赁，唉弊琴！大兄弟！現(xiàn)在你的值是不是剛才我獲取到的那個(gè)值罢人敲董？
如果是的話，bingo慰安！說(shuō)明沒(méi)人改過(guò)這個(gè)值腋寨，那你給我設(shè)置成累加1之后的一個(gè)值好了！
同理化焕，如果有人在執(zhí)行CAS的時(shí)候萄窜，發(fā)現(xiàn)自己之前獲取的值跟當(dāng)前的值不一樣，會(huì)導(dǎo)致CAS失敗撒桨，失敗之后查刻，進(jìn)入一個(gè)無(wú)限循環(huán)，再次獲取值凤类，接著執(zhí)行CAS操作赖阻！
首先第一步，我們假設(shè)線程一咔嚓一下過(guò)來(lái)了踱蠢，然后對(duì)AtomicInteger執(zhí)行incrementAndGet()操作火欧，他底層就會(huì)先獲取AtomicInteger當(dāng)前的值，這個(gè)值就是0茎截。
此時(shí)沒(méi)有別的線程跟他搶?zhuān)∷膊还苣敲炊辔郑苯訄?zhí)行原子的CAS操作，問(wèn)問(wèn)人家說(shuō)：兄弟企锌，你現(xiàn)在值還是0嗎榆浓？
如果是，說(shuō)明沒(méi)人修改過(guò)八涸堋陡鹃！太好了，給我累加1抖坪，設(shè)置為1萍鲸。于是AtomicInteger的值變?yōu)?！
接著線程2和線程3同時(shí)跑了過(guò)來(lái)擦俐，因?yàn)榈讓硬皇腔阪i機(jī)制脊阴，都是無(wú)鎖化的CAS機(jī)制，所以他們倆可能會(huì)并發(fā)的同時(shí)執(zhí)行incrementAndGet()操作。
然后倆人都獲取到了當(dāng)前AtomicInteger的值嘿期，就是1
接著線程2搶先一步發(fā)起了原子的CAS操作品擎！注意，CAS是原子的备徐，此時(shí)就他一個(gè)線程在執(zhí)行萄传！
然后線程2問(wèn)：兄弟，你現(xiàn)在值還是1嗎蜜猾？如果是盲再，太好了，說(shuō)明沒(méi)人改過(guò)瓣铣，我來(lái)改成2
好了答朋，此時(shí)AtomicInteger的值變?yōu)榱?。關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)了：現(xiàn)在線程3接著發(fā)起了CAS操作棠笑，但是他手上還是拿著之前獲取到的那個(gè)1懊瓮搿！
線程3此時(shí)會(huì)問(wèn)問(wèn)說(shuō)：兄弟蓖救，你現(xiàn)在值還是1嗎洪规？
噩耗傳來(lái)！Ｑ唷斩例！這個(gè)時(shí)候的值是2啊从橘！線程3哭泣了念赶，他說(shuō)，居然有人在這個(gè)期間改過(guò)值恰力。算了叉谜，那我還是重新再獲取一次值吧，于是獲取到了最新的值踩萎，值為2停局。
然后再次發(fā)起CAS操作，問(wèn)問(wèn)香府，現(xiàn)在值是2嗎董栽？是的！太好了企孩，沒(méi)人改锭碳，我抓緊改，此時(shí)AtomicInteger值變?yōu)?柠硕！
上述整個(gè)過(guò)程工禾，就是所謂Atomic原子類(lèi)的原理运提，沒(méi)有基于加鎖機(jī)制串行化蝗柔，而是基于CAS機(jī)制：先獲取一個(gè)值闻葵，然后發(fā)起CAS，比較這個(gè)值被人改過(guò)沒(méi)癣丧？如果沒(méi)有槽畔，就更改值！這個(gè)CAS是原子的胁编，別人不會(huì)打斷你厢钧！
通過(guò)這個(gè)機(jī)制，不需要加鎖這么重量級(jí)的機(jī)制嬉橙，也可以用輕量級(jí)的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)線程安全的并發(fā)的修改某個(gè)數(shù)值早直。
五、Java 8對(duì)CAS機(jī)制的優(yōu)化
但是這個(gè)CAS有沒(méi)有問(wèn)題呢市框？肯定是有的霞扬。比如說(shuō)大量的線程同時(shí)并發(fā)修改一個(gè)AtomicInteger，可能有很多線程會(huì)不停的自旋枫振，進(jìn)入一個(gè)無(wú)限重復(fù)的循環(huán)中喻圃。
這些線程不停地獲取值，然后發(fā)起CAS操作粪滤，但是發(fā)現(xiàn)這個(gè)值被別人改過(guò)了斧拍，于是再次進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)，獲取值杖小，發(fā)起CAS操作又失敗了肆汹，再次進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。
在大量線程高并發(fā)更新AtomicInteger的時(shí)候予权，這種問(wèn)題可能會(huì)比較明顯县踢，導(dǎo)致大量線程空循環(huán)，自旋轉(zhuǎn)伟件，性能和效率都不是特別好硼啤。
于是，當(dāng)當(dāng)當(dāng)當(dāng)斧账，Java 8推出了一個(gè)新的類(lèi)谴返，LongAdder，他就是嘗試使用分段CAS以及自動(dòng)分段遷移的方式來(lái)大幅度提升多線程高并發(fā)執(zhí)行CAS操作的性能咧织！
在LongAdder的底層實(shí)現(xiàn)中嗓袱，首先有一個(gè)base值，剛開(kāi)始多線程來(lái)不停的累加數(shù)值习绢，都是對(duì)base進(jìn)行累加的渠抹，比如剛開(kāi)始累加成了base = 5蝙昙。
接著如果發(fā)現(xiàn)并發(fā)更新的線程數(shù)量過(guò)多，就會(huì)開(kāi)始施行分段CAS的機(jī)制梧却，也就是內(nèi)部會(huì)搞一個(gè)Cell數(shù)組奇颠，每個(gè)數(shù)組是一個(gè)數(shù)值分段。
這時(shí)放航，讓大量的線程分別去對(duì)不同Cell內(nèi)部的value值進(jìn)行CAS累加操作烈拒，這樣就把CAS計(jì)算壓力分散到了不同的Cell分段數(shù)值中了！
這樣就可以大幅度的降低多線程并發(fā)更新同一個(gè)數(shù)值時(shí)出現(xiàn)的無(wú)限循環(huán)的問(wèn)題广鳍，大幅度提升了多線程并發(fā)更新數(shù)值的性能和效率荆几！
而且他內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)分段遷移的機(jī)制，也就是如果某個(gè)Cell的value執(zhí)行CAS失敗了赊时，那么就會(huì)自動(dòng)去找另外一個(gè)Cell分段內(nèi)的value值進(jìn)行CAS操作吨铸。
這樣也解決了線程空旋轉(zhuǎn)、自旋不停等待執(zhí)行CAS操作的問(wèn)題祖秒，讓一個(gè)線程過(guò)來(lái)執(zhí)行CAS時(shí)可以盡快的完成這個(gè)操作诞吱。
最后，如果你要從LongAdder中獲取當(dāng)前累加的總值狈涮，就會(huì)把base值和所有Cell分段數(shù)值加起來(lái)返回給你狐胎。
六、總結(jié) & 思考
不知道大家有沒(méi)有發(fā)現(xiàn)這種高并發(fā)訪問(wèn)下的分段處理機(jī)制歌馍，在很多地方都有類(lèi)似的思想體現(xiàn)握巢！因?yàn)楦卟l(fā)中的分段處理機(jī)制實(shí)際上是一個(gè)很常見(jiàn)和常用的并發(fā)優(yōu)化手段。
在我們之前的一篇講分布式鎖的文章：（《每秒上千訂單場(chǎng)景下的分布式鎖高并發(fā)優(yōu)化實(shí)踐》）松却，也是用到了分段加鎖以及自動(dòng)分段遷移/合并加鎖的一套機(jī)制暴浦，來(lái)大幅度幾十倍的提升分布式鎖的并發(fā)性能。
所以其實(shí)很多技術(shù)晓锻，思想都是有異曲同工之妙的歌焦。
END
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