JUC03-volatile、CAS及并发原子类

一、 Volatile

Volatile可以用来修饰成员变量和静态成员变量，保证可见性、有序性

可见性：保证volatile修饰的变量每次读取都会从主从中进行读取而不是cpu缓存
有序性：对Volatile修饰变量进行写操作时，会在该操作后加上写屏障，进行读操作时会在读操作前加上读屏障。

读写屏障

写屏障（sfence）保证在该屏障之前的，对共享变量的改动，都同步到主存当中，并且会确保指令重排序时，禁止屏障前后的写操作跨越屏障。

读屏障（lfence）保证在该屏障之后，对共享变量的读取，加载的是主存中最新数据。并且会确保指令重排序时，禁止屏障前后的读操作跨越屏障

重排序

二、CAS

cas是compareAndSet的缩写，底层使用cpu指令，是一个比较并赋值的原子操作

结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。

• CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
• synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。

CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
但如果竞争激烈，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

相比于

三、 原子累加器LongAdder

与之前提到的AtomicInteger不同，LongAdder 累加器采取了效率更高的方法应对高并发情况对数据的累加需求

优化一：多个cell分摊并发压力

LongAdder 关键字段

// 累加单元数组, 懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;
// 基础值, 如果没有竞争, 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base;
// 在 cells 创建或扩容时, 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy;
1
2
3
4
5
6

当执行add(x)操作时大概执行流程如下：

1. 判断当前是否发生过竞争

   • 若没有则使用cas对base进行累加

2. 若有则判断当前线程是否有对应cell

   • 有则使用cas对该cell进行累加

3. 若没有或者对base的cas累加失败或者对cell的cas累加失败

4. 创建新的cell进行累加(具体创建与否需要根据机器cpu的核心数量)

5. 将所有cell的值进行求和返回

优化二：缓存行伪共享

不同CPU的寄存器中用到了不同的变量，一个用到的是X，一个用到的是Y，并且XY在同一个缓存行中,这就叫做缓存行伪共享

所谓缓存行就是cpu缓存的单位，每个缓存行大小为64个字节。当对缓存行中一个数据进行修改时，整个缓存行都将失效

LongAdder内部维护一个cells数组，包含多个cell(累加单元)，每个cell绑定一或多个线程来分摊并发压力，然而，即使不同的cell对应不同的线程，但伪共享的出现会导致线程1对一个cell的修改导致另一个cell的值失效，需要重新从内存读取，大大影响其性能

@Contended注解填充缓存行解决伪共享

此注解可以填充被修饰的对象，使一个缓存行最多只能存储一个该对象，解决伪共享问题

总结

LongAdder通过使用多个cell分摊并发压力提高累加器性能，并且用@Contended注解修饰Cell对象，使其能够独占缓存行，解决了缓存行伪共享的问题。而AutomicInteger内部只用一个变量用来表示当前值，在高并发下多个线程争抢该变量性能损耗较大。