非阻塞算法

代码 6.3 使用 CAS 的非阻塞算法
long
public class NonblockingCounter {
private AtomicInteger value; public int getValue() { return value.get(); } public int increment() { int v; do { v = value.get(); while (!pareAndSet(v, v + 1)); return v + 1; } } 代码 6.3 中的 NonblockingCounter 显示了一种最简单的非阻塞算法： 使用 AtomicInteger 的 compareAndSet() （CAS）方法的计数器。compareAndSet() 方法规定 “将这个变量更 新为新值， 但是如果从我上次看到这个变量之后其他线程修改了它的值， 那么更新就失败” 。 原子变量类之所以被称为 原子的，是因 为它们提供了对数字 和对象 引用的 细粒度的原子更 新，但是在作为非阻塞算法的基本构造块的意义上，它们也是原子的。 现代的处理器提供了特殊的指令， 可以自动更新共享数据， 而且能够检测到其他线程的干扰， 而 compareAndSet() 就 用 这 些 代 替 了 锁 定 。 （如果要做的只是递增计数器，那么 AtomicInteger 提 供 了 进 行 递 增 的方 法， 但 是这些 方法 基于 compareAndSet() ， 例 如 NonblockingCounter.increment()） 。 非阻塞版本相对于基于锁的版本有几个性能优势。首先，它用硬件的原生形态代替 JVM 的 锁定代码路径，从而在更细的粒度层次上（独立的内存位置）进行同步，失败的线程也可以 立即重试，而不会被挂起后重新调度。更细的粒度降低了争用的机会，不用重新调度就能重 试的能力也降低了争用的成本。即使有少量失败的 CAS 操作，这种方法仍然会比由于锁争 用造成的重新调度快得多。 NonblockingCounter 这个示例比较简单， 但是它演示了所有非阻塞算法的一个基本特征 — — 有些算法步骤的执行是要冒险的， 因为知道如果 CAS 不成功可能不得不重做。 非阻塞算 法通常叫作乐观算法，因为它们继续操作的假设是不会有干扰。如果发现干扰，就会回退并 重试。在计数器的示例中，冒险的步骤是递增 —— 它检索旧值并在旧值上加一，希望在计 算更新期间值不会变化。如果它的希望落空，就会再次检索值，并重做递增计算。 2. 非阻塞堆栈 非阻塞算法稍微复杂一些的示例是代码 6.4 中的 ConcurrentStack。 ConcurrentStack 中的 push() 和 pop() 操作在结构上与 NonblockingCounter 上相似，只是做的工作有些冒险， 希望在 “提交” 工作的时候，底层假设没有失效。push() 方法观察当前最顶端的节点， 构建一个新节点放在堆栈上，然后，如果最顶端的节点在初始观察之后没有变化，那么就安 装新节点。如果 CAS 失败，意味着另一个线程已经修改了堆栈，那么过程就会重新开始。
6.4 非阻塞算法：
要解决锁带来的问题，一种方法就是不使用锁。依照这种思路设计的算法称为非阻塞 （non-blocking） 算法。 非阻塞算法的本质特征就是停止一个线程的执行不会阻碍系统中其 它执行实体的运行。非阻塞算法具有以下一些特征： 无阻塞：只要没有竞争，线程就可以持续执行。 无锁 ：系统整体持续执行。 无等待：每个线程都可以持续执行，即使遇到竞争也是如此。只有极少数的非阻塞算法实现 了这一点。 在过去的十多年里， 人们已经对无阻塞算法进行了大量研究， 许多人通用数据结构已经发现 了无阻塞算法。无阻塞算法被广泛用于操作系统级别，进行诸如线程和进程调度等任务。虽 然它们的实现比较复杂，但相对于基于锁定的备选算法，它们有许多优点：可以避免优先级 倒置和死锁等危险，竞争比较便宜，协调发生在更细的粒度级别，允许更高程度的并行机制 等等。 下面先介绍一下 CAS 的概念， JDK 的原子变量类和 java.util.concurrent 包，然后介绍几 种非阻塞算法，最后介绍非阻塞算法的一些问题以及这些问题的解决方法。 比较并交换 (CAS) 支持并发的第一个处理器提供原子的测试并设置操作，通常在单位上运行这项操作。 现在的 处理器使用的最通用的方法是实现名为比较并转换（CAS）的原语。 CAS 指令包含三个操作数——内存位置（V） 、预期原值（A）和新值(B)。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。 无论哪种情况， 它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。 （在 CAS 的一些特殊情况下将仅返 回 CAS 是否成功，而不提取当前值。 ）CAS 有效地说明了“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。 ” 通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A， 执行多步计算来获得新值 B， 然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。 原子变量类 在 JDK 5.0 之前，如果不使用本机代码，就不能用 Java 语言编写无等待、无锁定的算法。 在 java.util.concurrent.atomic 包中添加原子变量类之后，这种情况才发生了改变。所 有原子变量类都公开比较并设置原语（与比较并交换类似） ，这些原语都是使用平台上可用 的最快本机结构（比较并交换、加载链接 /条件存储，最坏的情况下是旋转锁）来实现的。
java.util.concurrent.atomic 包 中 提供 了 原 子 变量 的 9 种 风 格 （ AtomicInteger ； AtomicLong； AtomicReference； AtomicBoolean；原子整型；长型；引用；及原子标记引 用和戳记引用类的数组形式，其原子地更新一对值?） 原子变量类可以认为是 volatile 变量的泛化， 它扩展了可变变量的概念， 来支持原子条件 的比较并设置更新。 读取和写入原子变量与读取和写入对可变变量的访问具有相同的存取语 义。 原子变量的操作会变为平台提供的用于并发访问的硬件原语，比如比较并交换。 非阻塞算法的介绍 Java 语言中主要的同步手段就是 synchronized 关键字（也称为内在锁） ，它强制实行互斥， 确保执行 synchronized 块的线程的动作，能够被后来执行受相同锁保护的 synchronized 块的其他线程看到。在使用得当的时候，内在锁可以让程序做到线程安全，但是在使用锁定 保护短的代码路径，而且线程频繁地争用锁的时候，锁定可能成为相当繁重的操作。 原子变量提供了原子性的读-写-修改操作，可以在不使用锁的情况下安全地更新共享变量。 原子变量的内存语义与 volatile 变量类似， 但是因为它们也可以被原子性地修改， 所以可 以把它们用作不使用锁的并发算法的基础。 1. 非阻塞的计数器
代码 6. 5 Michael-Scott 非阻塞队列算法中的插入
public class LinkedQueue <E> { private static class Node <E> { final E item; final AtomicReference<Node<E>> next; Node(E item, Node<E> next) { this.item = item; this.next = new AtomicReference<Node<E>>(next); } } private AtomicReference<Node<E>> head = new AtomicReference<Node<E>>(new Node<E>(null, null)); private AtomicReference<Node<E>> tail = head; public boolean put(E item) { Node<E> newNode = new Node<E>(item, null); while (true) { Node<E> curTail = tail.get(); Node<E> residue = curTail.next.get(); if (curTail == tail.get()) { if (residue == null) /* A */ { if (pareAndSet(null, newNode)) /* C */ { pareAndSet(curTail, newNode) /* D */ ; return true; } } else { pareAndSet(curTail, residue) /* B */; } } } } } 像许多队列算法一样，空队列只包含一个假节点。头指针总是指向假节点；尾指针总指向最
3. 非阻塞的链表 目前为止的示例（计数器和堆栈 ）都是非常简单的非阻塞算法，一 旦掌握 了在循环中使用 CAS，就可以容易地模仿它们。对于更复杂的数据结构，非阻塞算法要比这些简单示例复杂 得多，因为修改链表、树或哈希表可能涉及对多个指针的更新。CAS 支持对单一指针的原子 性条件更新，但是不支持两个以上的指针。所以，要构建一个非阻塞的链表、树或哈希表， 需要找到一种方式，可以用 CAS 更新多个指针，同时不会让数据结构处于不一致的状态。 对于非复杂数据结构，构建非阻塞算法的“技巧”是确保数据结构总处于一致的状态（甚至 包括在线程开始修改数据结构和它完成修改之间） ，还要确保其他线程不仅能够判断出第一 个线程已经完成了更新还是处在更新的中途， 还能够判断出如果第一个线程完成更新还需要 什么操作。如果线程发现了处在更新中途的数据结构，它就可以 “帮助” 正在执行更新的 线程完成更新，然后再进行自己的操作。当第一个线程回来试图完成自己的更新时，会发现 不再需要了，返回即可，因为 CAS 会检测到帮助线程的干预（在这种 情况下，是建设性的