Java并发编程(一)--volatile, CAS, Atomic变量

本文详细介绍了JVM中volatile语义及其对Java内存模型的影响,解释了volatile变量读写的特点,以及如何通过CAS操作实现原子变量更新,包括解决ABA问题的方法。

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JVM volatile语义:

mark:

(1)Java 内存模型不会对valatile指令的操作进行重排序:这个保证对volatile变量的操作时按照指令的出现顺序执行的。

(2)volatile变量不会被缓存在寄存器中(只有拥有线程可见)或者其他对CPU不可见的地方,每次总是从主存中读取volatile变量的结果。也就是说对于volatile变量的修改,其它线程总是可见的,并且不是使用自己线程栈内部的变量。也就是在happens-before法则中,对一个valatile变量的写操作后,其后的任何读操作理解可见此写操作的结果。

 

Volatile变量的读写

读:置本地数据无效,总是从主存中读取数据

写:更新本地数据,然后刷新主存中的数据

 

 

CAS操作:利用CPU中的特殊指令cmpxchg (intel)

CAS3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。

原子变量的实现:

首先变量是volatile的保证可见性;

对变量的更新在一个循环中实现,例如:

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

最少执行一次方法就可以返回,否则一直执行;

CASABA问题

比如说一个线程one从内存位置V中取出A,这时候另一个线程two也从内存中取出A,并且two进行了一些操作变成了B,然后two又将V位置的数据变成A,这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A,然后one操作成功。尽管线程oneCAS操作成功,但是不代表这个过程就是没有问题的。如果链表的头在变化了两次后恢复了原值,但是不代表链表就没有变化。因此前面提到的原子操作AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有

用了。这允许一对变化的元素进行原子操作。

 

Java通过Unsafe类通过JNI结合CPUCAS指令来完成

sun.misc.natUnsafe.cc 的源码:

 

#include <gcj/cni.h>
#include <gcj/field.h>
#include <gcj/javaprims.h>
#include <jvm.h>
#include <sun/misc/Unsafe.h>
#include <java/lang/System.h>
#include <java/lang/InterruptedException.h>
#include <java/lang/Thread.h>
#include <java/lang/Long.h>
#include "sysdep/locks.h"


// Use a spinlock for multi-word accesses

class spinlock

{

  static volatile obj_addr_t lock;

public:

spinlock ()

  {

    while (! compare_and_swap (&lock, 0, 1))

      _Jv_ThreadYield ();

  }

  ~spinlock ()

  {

    release_set (&lock, 0);

  }

};

// This is a single lock that is used for all synchronized accesses if

// the compiler can't generate inline compare-and-swap operations.  In

// most cases it'll never be used, but the i386 needs it for 64-bit

// locked accesses and so does PPC32.  It's worth building libgcj with

// target=i486 (or above) to get the inlines.

volatile obj_addr_t spinlock::lock;

static inline bool

compareAndSwap (volatile jint *addr, jint old, jint new_val)

{

  jboolean result = false;

  spinlock lock;

  if ((result = (*addr == old)))

    *addr = new_val;

  return result;

}

static inline bool

compareAndSwap (volatile jlong *addr, jlong old, jlong new_val)

{

  jboolean result = false;

  spinlock lock;

  if ((result = (*addr == old)))

    *addr = new_val;

  return result;

}

static inline bool

compareAndSwap (volatile jobject *addr, jobject old, jobject new_val)

{

  jboolean result = false;

  spinlock lock;

  if ((result = (*addr == old)))

    *addr = new_val;

  return result;

}

jlong

sun::misc::Unsafe::objectFieldOffset (::java::lang::reflect::Field *field)

{

  _Jv_Field *fld = _Jv_FromReflectedField (field);

  // FIXME: what if it is not an instance field?

  return fld->getOffset();

}

jint

sun::misc::Unsafe::arrayBaseOffset (jclass arrayClass)

{

  // FIXME: assert that arrayClass is array.

  jclass eltClass = arrayClass->getComponentType();

  return (jint)(jlong) _Jv_GetArrayElementFromElementType (NULL, eltClass);

}

jint

sun::misc::Unsafe::arrayIndexScale (jclass arrayClass)

{

  // FIXME: assert that arrayClass is array.

  jclass eltClass = arrayClass->getComponentType();

  if (eltClass->isPrimitive())

    return eltClass->size();

  return sizeof (void *);

}

// These methods are used when the compiler fails to generate inline

// versions of the compare-and-swap primitives.

jboolean

sun::misc::Unsafe::compareAndSwapInt (jobject obj, jlong offset,

                                           jint expect, jint update)

{

  jint *addr = (jint *)((char *)obj + offset);

  return compareAndSwap (addr, expect, update);

}

jboolean

sun::misc::Unsafe::compareAndSwapLong (jobject obj, jlong offset,

                                            jlong expect, jlong update)

{

  volatile jlong *addr = (jlong*)((char *) obj + offset);

  return compareAndSwap (addr, expect, update);

}

jboolean

sun::misc::Unsafe::compareAndSwapObject (jobject obj, jlong offset,

                                                jobject expect, jobject update)

{

  jobject *addr = (jobject*)((char *) obj + offset);

  return compareAndSwap (addr, expect, update);

}

void

sun::misc::Unsafe::putOrderedInt (jobject obj, jlong offset, jint value)

{

  volatile jint *addr = (jint *) ((char *) obj + offset);

  *addr = value;

}

void

sun::misc::Unsafe::putOrderedLong (jobject obj, jlong offset, jlong value)

{

  volatile jlong *addr = (jlong *) ((char *) obj + offset);

  spinlock lock;

  *addr = value;

}

void

sun::misc::Unsafe::putOrderedObject (jobject obj, jlong offset, jobject value)

{

  volatile jobject *addr = (jobject *) ((char *) obj + offset);

  *addr = value;

}

void

sun::misc::Unsafe::putIntVolatile (jobject obj, jlong offset, jint value)

{

  write_barrier ();

  volatile jint *addr = (jint *) ((char *) obj + offset);

  *addr = value;

}

void

sun::misc::Unsafe::putLongVolatile (jobject obj, jlong offset, jlong value)

{

  volatile jlong *addr = (jlong *) ((char *) obj + offset);

  spinlock lock;

  *addr = value;

}

void

sun::misc::Unsafe::putObjectVolatile (jobject obj, jlong offset, jobject value)

{

  write_barrier ();

  volatile jobject *addr = (jobject *) ((char *) obj + offset);

  *addr = value;

}

#if 0  // FIXME

void

sun::misc::Unsafe::putInt (jobject obj, jlong offset, jint value)

{

  jint *addr = (jint *) ((char *) obj + offset);

  *addr = value;

}

#endif

void

sun::misc::Unsafe::putLong (jobject obj, jlong offset, jlong value)

{

  jlong *addr = (jlong *) ((char *) obj + offset);

  spinlock lock;

  *addr = value;

}

void

sun::misc::Unsafe::putObject (jobject obj, jlong offset, jobject value)

{

  jobject *addr = (jobject *) ((char *) obj + offset);

  *addr = value;

}

jint

sun::misc::Unsafe::getIntVolatile (jobject obj, jlong offset)

{

  volatile jint *addr = (jint *) ((char *) obj + offset);

  jint result = *addr;

  read_barrier ();

  return result;

}

jobject

sun::misc::Unsafe::getObjectVolatile (jobject obj, jlong offset)

{

  volatile jobject *addr = (jobject *) ((char *) obj + offset);

  jobject result = *addr;

  read_barrier ();

  return result;

}

jlong

sun::misc::Unsafe::getLong (jobject obj, jlong offset)

{

  jlong *addr = (jlong *) ((char *) obj + offset);

  spinlock lock;

  return *addr;

}

jlong

sun::misc::Unsafe::getLongVolatile (jobject obj, jlong offset)

{

  volatile jlong *addr = (jlong *) ((char *) obj + offset);

  spinlock lock;

  return *addr;

}

void

sun::misc::Unsafe::unpark (::java::lang::Thread *thread)

{

  natThread *nt = (natThread *) thread->data;

  nt->park_helper.unpark ();

}

void

sun::misc::Unsafe::park (jboolean isAbsolute, jlong time)

{

  using namespace ::java::lang;

  Thread *thread = Thread::currentThread();

  natThread *nt = (natThread *) thread->data;

  nt->park_helper.park (isAbsolute, time);

}

 

 

资源下载链接为: https://pan.quark.cn/s/d9ef5828b597 四路20秒声光显示计分抢答器Multisim14仿真源文件+设计文档资料摘要 数字抢答器由主体电路与扩展电路组成。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出;用控制电路和主持人开关启动报警电路,以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能,构成扩展电路。经过布线、焊接、调试等工作后数字抢答器成形。关键字:开关阵列电路;触发锁存电路;解锁电路;编码电路;显示电路 、设计目的 本设计是利用已学过的数电知识,设计的4人抢答器。(1)重温自己已学过的数电知识;(2)掌握数字集成电路的设计方法和原理;(3)通过完成该设计任务掌握实际问题的逻辑分析,学会对实际问题进行逻辑状态分配、化简;(4)掌握数字电路各部分电路与总体电路的设计、调试、模拟仿真方法。 二、整体设计 ()设计任务与要求: 抢答器同时供4名选手或4个代表队比赛,分别用4个按钮S0 ~ S3表示。 设置个系统清除和抢答控制开关S,该开关由主持人控制。 抢答器具有锁存与显示功能。即选手按动按钮,锁存相应的编号,并在LED数码管上显示,同时扬声器发出报警声响提示。选手抢答实行优先锁存,优先抢答选手的编号直保持到主持人将系统清除为止。 参赛选手在设定的时间内进行抢答,抢答有效,定时器停止工作,显示器上显示选手的编号和抢答的时间,并保持到主持人将系统清除为止。 如果定时时间已到,无人抢答,本次抢答无效。 (二)设计原理与参考电路 抢答器的组成框图如下图所示。它主要由开关阵列电路、触发锁存电路、解锁电路、编码电路和显示电路等几部分组成。
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