Java并发（五）：Condition-线程通信更高效的方式、CAS

Condition-线程通信更高效的方式

上一篇讲述了并发包下的Lock，Lock可以更好的解决线程同步问题，使之更面向对象，并且ReadWriteLock在处理同步时更强大，那么同样，线程间仅仅互斥是不够的，还需要通信，本篇的内容是基于上篇之上，使用Lock如何处理线程通信。

那么引入本篇的主角，Condition，Condition 将 Object 监视器方法（wait、notify 和 notifyAll）分解成截然不同的对象，以便通过将这些对象与任意 Lock 实现组合使用，为每个对象提供多个等待 set （wait-set）。其中，Lock 替代了 synchronized 方法和语句的使用，Condition 替代了 Object 监视器方法的使用。下面将之前写过的一个线程通信的例子替换成用Condition实现，代码如下：

public class ThreadTest2 {
public static void main(String[] args) {
final Business business = new Business();
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
threadExecute(business, "sub");
}
}).start();
threadExecute(business, "main");
}
public static void threadExecute(Business business, String threadType) {
for(int i = 0; i < 100; i++) {
try {
if("main".equals(threadType)) {
business.main(i);
} else {
business.sub(i);
}
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}
class Business {
private boolean bool = true;
private Lock lock = new ReentrantLock();
private Condition condition = lock.newCondition();
public /*synchronized*/ void main(int loop) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while(bool) {
condition.await();//this.wait();
}
for(int i = 0; i < 100; i++) {
System.out.println("main thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
}
bool = true;
condition.signal();//this.notify();
} finally {
lock.unlock();
}
}
public /*synchronized*/ void sub(int loop) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while(!bool) {
condition.await();//this.wait();
}
for(int i = 0; i < 10; i++) {
System.out.println("sub thread seq of " + i + ", loop of " + loop);
}
bool = false;
condition.signal();//this.notify();
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

在Condition中，用await()替换wait()，用signal()替换notify()，用signalAll()替换notifyAll()，传统线程的通信方式，Condition都可以实现，这里注意，Condition是被绑定到Lock上的，要创建一个Lock的Condition必须用newCondition()方法。

这样看来，Condition和传统的线程通信没什么区别，Condition的强大之处在于它可以为多个线程间建立不同的Condition，下面引入API中的一段代码，加以说明。

class BoundedBuffer {
final Lock lock = new ReentrantLock();//锁对象
final Condition notFull  = lock.newCondition();//写线程条件
final Condition notEmpty = lock.newCondition();//读线程条件

final Object[] items = new Object[100];//缓存队列
int putptr/*写索引*/, takeptr/*读索引*/, count/*队列中存在的数据个数*/;

public void put(Object x) throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == items.length)//如果队列满了
notFull.await();//阻塞写线程
items[putptr] = x;//赋值
if (++putptr == items.length) putptr = 0;//如果写索引写到队列的最后一个位置了，那么置为0
++count;//个数++
notEmpty.signal();//唤醒读线程
} finally {
lock.unlock();
}
}

public Object take() throws InterruptedException {
lock.lock();
try {
while (count == 0)//如果队列为空
notEmpty.await();//阻塞读线程
Object x = items[takeptr];//取值
if (++takeptr == items.length) takeptr = 0;//如果读索引读到队列的最后一个位置了，那么置为0
--count;//个数--
notFull.signal();//唤醒写线程
return x;
} finally {
lock.unlock();
}
}
}

这是一个处于多线程工作环境下的缓存区，缓存区提供了两个方法，put和take，put是存数据，take是取数据，内部有个缓存队列，具体变量和方法说明见代码，这个缓存区类实现的功能：有多个线程往里面存数据和从里面取数据，其缓存队列(先进先出后进后出)能缓存的最大数值是100，多个线程间是互斥的，当缓存队列中存储的值达到100时，将写线程阻塞，并唤醒读线程，当缓存队列中存储的值为0时，将读线程阻塞，并唤醒写线程，这也是ArrayBlockingQueue的内部实现。下面分析一下代码的执行过程：

1. 一个写线程执行，调用put方法；

2. 判断count是否为100，显然没有100；

3. 继续执行，存入值；

4. 判断当前写入的索引位置++后，是否和100相等，相等将写入索引值变为0，并将count+1；

5. 仅唤醒读线程阻塞队列中的一个；

6. 一个读线程执行，调用take方法；

7. ……

8. 仅唤醒写线程阻塞队列中的一个。

这就是多个Condition的强大之处，假设缓存队列中已经存满，那么阻塞的肯定是写线程，唤醒的肯定是读线程，相反，阻塞的肯定是读线程，唤醒的肯定是写线程，那么假设只有一个Condition会有什么效果呢，缓存队列中已经存满，这个Lock不知道唤醒的是读线程还是写线程了，如果唤醒的是读线程，皆大欢喜，如果唤醒的是写线程，那么线程刚被唤醒，又被阻塞了，这时又去唤醒，这样就浪费了很多时间。

CAS

在Java并发包中有这样一个包，java.util.concurrent.atomic，该包是对Java部分数据类型的原子封装，在原有数据类型的基础上，提供了原子性的操作方法，保证了线程安全。下面以AtomicInteger为例，来看一下是如何实现的。

public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}

public final int decrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}

以这两个方法为例，incrementAndGet方法相当于原子性的++i，decrementAndGet方法相当于原子性的–i，（我们知道++i或–i不是一个原子性的操作），这两个方法中都没有使用阻塞式的方式来保证原子性（如Synchronized），那它们是如何保证原子性的呢，下面引出CAS。

CAS（Compare And Swap） 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”。（这段描述引自《Java并发编程实践》）

简单的来说，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，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它；而Synchronized是一种悲观锁，它认为在它修改之前，一定会有其它线程去修改它，悲观锁效率很低。下面来看一下AtomicInteger是如何利用CAS实现原子性操作的。

volatile变量：

private volatile int value;

首先声明了一个volatile变量value，我们知道volatile保证了变量的内存可见性，也就是所有工作线程中同一时刻都可以得到一致的值。

public final int get() {
return value;
}

Compare And Set：

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;// 注意是静态的

static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));// 反射出value属性，获取其在内存中的位置
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

比较并设置，这里利用Unsafe类的JNI方法实现，使用CAS指令，可以保证读-改-写是一个原子操作。compareAndSwapInt有4个参数，this - 当前AtomicInteger对象，Offset - value属性在内存中的位置(需要强调的是不是value值在内存中的位置)，expect - 预期值，update - 新值，根据上面的CAS操作过程，当内存中的value值等于expect值时，则将内存中的value值更新为update值，并返回true，否则返回false。在这里我们有必要对Unsafe有一个简单点的认识，从名字上来看，不安全，确实，这个类是用于执行低级别的、不安全操作的方法集合，这个类中的方法大部分是对内存的直接操作，所以不安全，但当我们使用反射、并发包时，都间接的用到了Unsafe。

循环设置：

现在在来看开篇提到的两个方法，我们拿incrementAndGet来分析一下其实现过程。

public final int incrementAndGet() {
for (;;) {// 这样优于while(true)
int current = get();// 获取当前值
int next = current + 1;// 设置更新值
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}

循环内，获取当前值并设置更新值，调用compareAndSet进行CAS操作，如果成功就返回更新至，否则重试到成功为止。这里可能存在一个隐患，那就是循环时间过长，总是在当前线程compareAndSet时，有另一个线程设置了value(点子太背了)，这个当然是属于小概率事件，目前Java貌似还不能处理这种情况。