java并发无锁多线程单线程示例详解

目录

• 前言
• 场景
• 单线程
• 多线程
• 悲观锁
• 无锁
• 最后

前言

在并发编程中，多线程的共享资源的修改往往会造成严重的线程安全问题，解决这种问题简单暴力的方式就是加锁，加锁的方式使用简单易理解，但常常会因为阻塞导致性能问题

有没有可能做到无锁还保证线程安全呐？这得看具体情况。得益于CAS技术，有很多情况下我们可以做到不使用锁也能保证线程的安全

比如今天我最近遇到的场景如下(由于场景比较复杂，用一个模拟简化一下)

场景

假设有一个商店，背后有一个工厂可以生产商品，商店也可以有用户来购买商品，为了简化，假设工厂只能生产一个商品、而用户也只能买一个商品

需求如下：

• 用户来购买，如果商品已经生产好了，则直接发货，完成交易
• 用户来购买，如果商品还没生产好，让用户填写一个欠货单，待工厂生产好后，如果发现有欠货，则直接发货，完成交易

简简单单的一个需求，在多线程环境下就会出现隐患

单线程

先不考虑多线程情况，这个代码很好写，我们用一个ready变量标识是否生产完成，用一个unSupply变量标识是否有欠用户一个商品，代码如下

public class SerialShop {
    private volatile boolean ready; // 商品生产完成
    private volatile boolean unSupply; // 是否欠用户一个商品
    public volatile boolean done; // 交易完成
    public void send() { // 发货
        System.out.println(\"send to user\");
        done = true;
    }
    public void buy() {
        if (ready) { // 商品生产完成
            send(); // 直接发货
            return;
        }
        this.unSupply = true; // 没有准备好则填写一个欠货单
    }
    public void ready() {
        this.ready = true; // 标识商品准备完成
        if (this.unSupply) { // 如果发现有欠货单
            send(); // 给用户发货
        }
    }
}

这时，我们简单跑一下

@Test
public void buyBeforeReady() {
    buy();
    ready();
}
@Test
public void buyAfterReady() {
    ready();
    buy();
}

结果无论先购买再生产完，还是生产完再购买，最终都会走到send方法，完成交易

多线程

上面的代码虽然简单，但在多线程下就会出现问题，用实际的情形描述一下

• 用户来购买发现商品没生产好，则开始准备填写欠货单，由于用户文盲，填写的很慢
• 此时工厂恰好生产好了，标识已准备，但一看还没有欠货单，所以不发货
• 用户刚刚填写完欠货单，没啥事就回家了
• 最终，用户付完了钱，工厂也生产完毕，就是没有发货完成交易

画个时序图描述一下这个情景

时序图

因为多线程无法保证有序性，所以这种情况出现的概率很大，而一旦出现就是严重问题

用代码模拟一下这个场景：

public class UnsafeShop {
    private volatile boolean ready; // 商品生产完成
    private volatile boolean unSupply; // 欠用户
    public volatile boolean done; // 交易完成
    public void send() {
        System.out.println(\"send to user\");
        done = true;
    }
    public void buy() throws InterruptedException {
        if (ready) { // 准备好了
            send(); // 直接发货
            return;
        }
        Thread.sleep(100); // 这里手动降低线程速度，为了重现场景
        this.unSupply = true; // 没有准备好则填写一个欠货单
    }
    public void ready() throws InterruptedException {
        this.ready = true; // 标识商品准备完成
        if (this.unSupply) { // 如果发现有欠货单
            send(); // 给用户发货
        }
    }
    @Test
    public void unsafe() throws InterruptedException {
        // 用户购买
        new Thread(() -> {
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }).start();
        Thread.sleep(50);
        // 工厂生产
        new Thread(() -> {
            try {
                ready();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }).start();
        while (true) ;
    }
}

执行结果：并没有走到send方法(上面的代码通过sleep来降低线程的执行速度，是为了100%呈现错误，实际中就算不写sleep也有可能出现这种情况)

悲观锁

那么如何避免上面的问题呐，最简单暴力的方式就是加锁

上面的问题之所以出现，是因为用户查看是否商品已准备和标识欠货的两步操作没有原子性，导致中间的过程可能被工厂的线程快速完成所有动作和判断

实际情形下我们可以这么解决问题：在接纳用户的时候，如果工厂来人送货，让工厂的人在外面等着，等用户把该做的都做了，工厂的人再进来标识准备完毕并送货

用代码模拟一下这个解决方案

public class BlockShop {
    private volatile boolean ready; // 商品生产完成
    private volatile boolean unSupply; // 欠用户
    public volatile boolean done; // 交易完成
    public void send() {
        System.out.println(\"send to user\");
        done = true;
    }
    public void buy() throws InterruptedException {
        synchronized (this) { // 接纳用户时不让工厂人进入
            if (ready) { // 准备好了
                send(); // 直接发货
                return;
            }
            Thread.sleep(100);
            this.unSupply = true; // 没有准备好则填写一个欠货单
        }
    }
    public void ready() throws InterruptedException {
        synchronized (this) { // 接纳用户时不让工厂人进入
            this.ready = true; // 标识商品准备完成
        }
        if (this.unSupply) { // 如果发现有欠货单
            send(); // 给用户发货
        }
    }
    @Test
    public void block() throws InterruptedException {
        // 用户购买
        new Thread(() -> {
            try {
                buy();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }).start();
        Thread.sleep(50);
        // 工厂生产
        new Thread(() -> {
            try {
                ready();
            } catch (InterruptedException e) {
            }
        }).start();
        while (true) ;
    }
}

这时，不会在出现上述问题，彻底的解决了线程安全

而从解决问题的实际场景来看，这种解决问题的方法在现实中简直是弱智，工厂的人就在外面傻等，这就是阻塞，会降低代码的执行速度

当然以上场景的阻塞实际其实很小，但个人认为锁这东西能不用尽量不用，在场景复杂的时候阻塞的弱点会更加凸显出来

无锁

在这种场景下，能不能不使用锁来达到线程安全的效果呐？

我想了很多办法，比如buy时先标识已欠货，再去判断是否已准备，或者标识完已欠货再去看一眼是否已准备好，但都行不通，原因就是无法保证原子性，也无法保证多线程的有序性

冥思苦想后，想到一个解决方案：工厂人员上门后第一件事就是把欠货单撕了！

• 此时如果用户正在写这个欠货单，那肯定是撕不成的，出现冲突说明用户已来了，直接发货即可
• 如果用户还没写且正准备写，发现欠货单没了，出现冲突说明货来了，直接发货即可

此时欠货单有三个状态：初始状态/被撕了/填写完，我们用商品的库存标识为：0/1/-1(欠用户一台)

private volatile int stock = 0;

而stock==1也说明货已到，所以不需要ready变量了

最终代码如下

public class NoBlockShop {
    private volatile int stock = 0; // 库存量 -1代表亏欠用户一台
    public volatile boolean done; // 交易完成
    final AtomicIntegerFieldUpdater<NoBlockShop> STATUS_UPDATER =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(NoBlockShop.class, \"stock\");
    public void send() {
        done = true;
    }
    public void buy() throws InterruptedException {
        for (;;) {
            if (stock ==1) { // 有货
                send(); // 直接发货
                return;
            }
            if (STATUS_UPDATER.compareAndSet(this, 0, -1)) {// 标识欠货，如果失败说明库存有变动，再回头查看一下
                return;
            }
        }
    }
    public void ready() throws InterruptedException {
        if (!STATUS_UPDATER.compareAndSet(this, 0, 1)) { // 标识有库存
            send(); // 如果失败代表用户来过了，直接发货
        }
    }
}

不仅解决了线程安全，还无锁(也可以称作乐观锁)，并且代码还简洁了，CAS是真香

测试一下线程安全，代码如下

ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);
List<NoBlockShop> shops = new ArrayList<>();
for (int i=0;i<100000;i++) {
    NoBlockShop shop = new NoBlockShop();
    shops.add(shop);
    executorService.execute(()->{
        try {
            shop.buy();
        } catch (InterruptedException e) {}
    });
    executorService.execute(()->{
        try {
            shop.ready();
        } catch (InterruptedException e) {}
    });
}
Thread.sleep(500);
System.out.println(shops.stream().filter(v->!v.done).count());

初始化10万个shop，然后用不同线程分别buy和ready，最终输出没交易的shop个数

• 如果使用UnsafeShop(初版)，一般结果都不是0，且每次执行都不一样，说明有的shop对象出现线程安全问题
• 如果使用BlockShop(锁版)，结果是0，说明线程安全
• 如果使用NoBlockShop(CAS版)，结果是0，说明也实现了线程安全

根据这个可以继续改造一下让商店，让工厂可以不断生产商品，用户也能不断购买，依然使用stock，为正代表有n个库存，为负代表欠用户n个商品，并且可以一次性购买/生产多个，不再是一次性买卖了，代码如下

public class NoBlockSupermarket {
    private volatile int stock = 0; // 当前库存数量，为负代表欠货
    public AtomicInteger deals = new AtomicInteger(0); // 交易量，测试用
    final AtomicIntegerFieldUpdater<NoBlockSupermarket> STOCK_UPDATER =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(NoBlockSupermarket.class, \"stock\");
    public void send() {
        deals.incrementAndGet(); // 增加成交数，测试用
    }
    public void buy(int n) {
        int e = 0; // 已买数量
        while (e != n) {
            int stock = this.stock;
            if (!STOCK_UPDATER.compareAndSet(this, stock, stock - 1)) { // 库存-1
                continue;
            }
            if (stock > 0) { // 有货
                send();
            }
            e++;
        }
    }
    public void supply(int n) {
        int e = 0; // 已处理数量
        while (e != n) {
            int stock = this.stock;
            if (!STOCK_UPDATER.compareAndSet(this, stock, stock + 1)) {// 库存+1
                continue;
            }
            if (stock < 0) { // 欠货
                send();
            }
            e++;
        }
    }
}

最后

使用CAS可以避免多线程情况下的阻塞，但也并不是所有场景都适用，在冲突严重的情况下乐观锁性能可能反而不如悲观锁

我所举例的场景其实就是一个典型的发布订阅模式的场景，冲突不高的情况下用乐观锁的方式替换悲观锁，会达到性能上质的飞跃

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