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多线程并发编程之原子变量与非阻塞同步机制

2015-03-01 13:52 916 查看

1.非阻塞算法

非阻塞算法属于并发算法,它们可以安全地派生它们的线程,不通过锁定派生,而是通过低级的原子性的硬件原生形式 —— 例如比较和交换。非阻塞算法的设计与实现极为困难,但是它们能够提供更好的吞吐率,对生存问题(例如死锁和优先级反转)也能提供更好的防御。使用底层的原子化机器指令取代锁,比如比较并交换(CAS,compare-and-swap).

2.悲观技术

独占锁是一种悲观的技术.它假设最坏的情况发生(如果不加锁,其它线程会破坏对象状态),即使没有发生最坏的情况,仍然用锁保护对象状态.

3.乐观技术

依赖冲突监测.先更新,如果监测发生冲突发生,则放弃更新后重试,否则更新成功.现在处理器都有原子化的读-改-写指令,比如比较并交换(CAS,compare-and-swap).

4.CAS操作

CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。CAS典型使用模式是:首先从V中读取A,并根据A计算新值B,然后再通过CAS以原子方式将V中的值由A变成B(只要在这期间没有任何线程将V的值修改为其他值)。

清单 3. 说明比较并交换的行为(而不是性能)的代码

public class SimulatedCAS {
     private int value;

     public synchronized int getValue() { return value; }

    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
         int oldValue = value;
         if (value == expectedValue)
             value = newValue;
         return oldValue;
     }
}


清单 4. 使用比较并交换实现计数器

public class CasCounter {
    private SimulatedCAS value;
    public int getValue() {
        return value.getValue();
    }
    public int increment() {
        int oldValue = value.getValue();
        while (value.compareAndSwap(oldValue, oldValue + 1) != oldValue)
            oldValue = value.getValue();
        return oldValue + 1;
    }
}


5.原子变量

原子变量支持不用锁保护就能原子性更新操作,其底层用CAS实现。共有12个原子变量,可分为4组:标量类、更新器类、数组类以及复合变量类。最常用的原子变量就是标量类:AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean以及AtomicReference。所有类型都支持CAS。

6.性能比较:锁与原子变量

在中低程度的竞争下,原子变量能提供很高的可伸缩性,原子变量性能超过锁;而在高强度的竞争下,锁能够更有效地避免竞争,锁的性能将超过原子变量的性能。但在更真实的实际情况中,原子变量的性能将超过锁的性能。
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