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J.U.C 快速入门(二)| Unsafe & LockSupport & CAS机制

Angus
2022-11-12 / 0 评论 / 0 点赞 / 71 阅读 / 2442 字

Unsafe

Java不能直接访问操作系统底层,而是通过本地方法来访问。Unsafe类提供了硬件级别的原子操作,主要提供以下功能:

  • 通过Unsafe类可以分配内存,可以释放内存

    类中提供的3个本地方法allocateMemory(申请)、reallocateMemory(扩展)、freeMemory(销毁)分别用于分配内存,扩充内存和释放内存,与C语言中的3个方法对应。

  • 可以定位对象某字段的内存位置,也可以修改对象的字段值,即使它是私有的

    • 字段的定位
    • 数组元素定位
  • 挂起与恢复

    将一个线程进行挂起是通过park方法实现的,调用 park后,线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程,使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中,LockSupport类中有各种版本pack方法,但最终都调用了Unsafe.park()方法。

  • CAS操作

    是通过compareAndSwapXXX方法实现的

LockSupport

LockSupport 和 CAS 是Java并发包中很多并发工具控制机制的基础,它们底层其实都是依赖Unsafe实现。LockSupport 提供park()和unpark()方法实现阻塞线程和解除线程阻塞。

LockSupport和每个使用它的线程都与一个许可(permit)关联。permit相当于1,0的开关,默认是0,调用一次unpark就加1变成1,调用一次park会消费permit, 也就是将1变成0,同时park立即返回。再次调用park会变成block(因为permit为0了,会阻塞在这里,直到permit变为1), 这时调用unpark会把permit置为1。每个线程都有一个相关的permit, permit最多只有一个,重复调用unpark也不会积累。

park()和unpark()不会有 Thread.suspendThread.resume 所可能引发的死锁问题,由于许可的存在,调用 park 的线程和另一个试图将其 unpark 的线程之间的竞争将保持活性。

CAS机制

CAS(Compare And Swap,即比较并交换),是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制。其原理是利用sun.misc.Unsafe.java 类通过JNI来调用硬件级别的原子操作来实现CAS(即CAS是借助C来调用CPU底层指令实现的)。

CAS机制=比较并交换+乐观锁机制+锁自旋

设计思想:如果内存位置 的值与 预期原值 相匹配,那么处理器会自动将该位置值更新为新值,否则处理器不做任何操作。

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock 都是基于 AbstractQueuedSynchronizer (AQS),而 AQS 又是基于 CAS。CAS 的全称是 Compare And Swap(比较与交换),它是一种无锁算法。synchronized和Lock都采用了悲观锁的机制,而CAS是一种乐观锁的实现。乐观锁的原理就是每次不加锁去执行某项操作,如果发生冲突则失败并重试,直到成功为止,其实本质上不算锁,所以很多地方也称之为自旋。乐观锁用到的主要机制就是CAS(Compare And Swap)。

CAS特性

  • 通过JNI借助C来调用CPU底层指令实现
  • 非阻塞算法
  • 非独占锁

CAS缺陷

  • ABA问题:X线程读到为A;Y线程立刻改为B,又改为A;X线程发现值还是A,此时CAS比较值相等,自旋成功
    • 使用数据乐观锁的方式给它加一个版本号或者时间戳,如使用 AtomicStampedReference<V> 解决
  • 自旋消耗资源:多个线程争夺同一个资源时,如果自旋一直不成功,将会一直占用CPU
    • 破坏掉死循环,当超过一定时间或者一定次数时,return退出
  • 只能保证一个共享变量的原子操作
    • 可以加锁来解决
    • 封装成对象类解决,如使用 AtomicReference<V> 解决
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