【实战Java高并发程序设计6】挑战无锁算法

我们已经比较完整得介绍了有关无锁的概念和使用方法。相对于有锁的方法，使用无锁的方式编程更加考验一个程序员的耐心和智力。但是，无锁带来的好处也是显而易见的，第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；第二，它天生就是死锁免疫的。就凭借这2个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

这里，我想向大家介绍一种使用无锁方式实现的Vector。通过这个案例，我们可以更加深刻地认识无锁的算法，同时也可以学习一下有关Vector实现的细节和算法技巧。（在本例中，讲述的无锁Vector来自于amino并发包）

我们将这个无锁的Vector称为LockFreeVector。它的特点是可以根据需求动态扩展其内部空间。在这里，我们使用二维数组来表示LockFreeVector的内部存储，如下：

private final AtomicReferenceArray<AtomicReferenceArray<E>> buckets;  

变量buckets存放所有的内部元素。从定义上看，它是一个保存着数组的数组，也就是通常的二维数组。特别之处在于这些数组都是使用CAS的原子数组。为什么使用二维数组去实现一个一维的Vector呢？这是为了将来Vector进行动态扩展时可以更加方便。我们知道，AtomicReferenceArray内部使用Object[]来进行实际数据的存储，这使得动态空间增加特别的麻烦，因此使用二维数组的好处就是为将来增加新的元素。

此外，为了更有序的读写数组，定义一个称为Descriptor的元素。它的作用是使用CAS操作写入新数据。

    static class Descriptor<E> {
    public int size;
    volatile WriteDescriptor<E> writeop;
    public Descriptor(int size, WriteDescriptor<E> writeop) {
        this.size = size;
        this.writeop = writeop;
    }
    public void completeWrite() {
        WriteDescriptor<E> tmpOp = writeop;
        if (tmpOp != null) {
            tmpOp.doIt();
            writeop = null; // this is safe since all write to writeop use
            // null as r_value.
        }
    }
}

static class WriteDescriptor<E> {
    public E oldV;
    public E newV;
    public AtomicReferenceArray<E> addr;
    public int addr_ind;

    public WriteDescriptor(AtomicReferenceArray<E> addr, int addr_ind,
            E oldV, E newV) {
        this.addr = addr;
        this.addr_ind = addr_ind;
        this.oldV = oldV;
        this.newV = newV;
    }

    public void doIt() {
        addr.compareAndSet(addr_ind, oldV, newV);
    }
}

上述代码第4行定义的Descriptor构造函数接收2个参数，第一个为整个Vector的长度，第2个为一个writer。最终，写入数据是通过writer进行的（通过completeWrite()方法）。第24行，WriteDescriptor的构造函数接收4个参数。第一个参数addr表示要修改的原子数组，第二个参数为要写入的数组索引位置，第三个oldV为期望值，第4个newV为需要写入的值。

在构造LockFreeVector时，显然需要将buckets和descriptor进行初始化。

public LockFreeVector() {
    buckets = new AtomicReferenceArray<AtomicReferenceArray<E>>(N_BUCKET);
    buckets.set(0, new AtomicReferenceArray<E>(FIRST_BUCKET_SIZE));
    descriptor = new AtomicReference<Descriptor<E>>(new Descriptor<E>(0,
            null));
}

在这里N_BUCKET为30,也就是说这个buckets里面可以存放一共30个数组（由于数组无法动态增长，因此数组总数也就不能超过30个）。并且将第一个数组的大小为FIRST_BUCKET_SIZE为8。到这里，大家可能会有一个疑问，如果每个数组8个元素，一共30个数组，那岂不是一共只能存放240个元素吗？

如果大家了解JDK内的Vector实现，应该知道，Vector在进行空间增长时，默认情况下，每次都会将总容量翻倍。因此，这里也借鉴类似的思想，每次空间扩张，新的数组的大小为原来的2倍（即每次空间扩展都启用一个新的数组），因此，第一个数组为8，第2个就是16，第3个就是32。以此类推，因此30个数组可以支持的总元素达到。

这数值已经超过了2^33，即在80亿以上。因此，可以满足一般的应用。

当有元素需要加入LockFreeVector时，使用一个名为push_back()的方法，将元素压入Vector最后一个位置。这个操作显然就是LockFreeVector的最为核心的方法，也是最能体现CAS使用特点的方法，它的实现如下：

    public void push_back(E e) {
    Descriptor<E> desc;
    Descriptor<E> newd;
    do {
        desc = descriptor.get();
        desc.completeWrite();

        int pos = desc.size + FIRST_BUCKET_SIZE;
        int zeroNumPos = Integer.numberOfLeadingZeros(pos);
        int bucketInd = zeroNumFirst - zeroNumPos;
        if (buckets.get(bucketInd) == null) {
            int newLen = 2 * buckets.get(bucketInd - 1).length();
            if (debug)
                System.out.println("New Length is:" + newLen);
            buckets.compareAndSet(bucketInd, null,
                    new AtomicReferenceArray<E>(newLen));
        }

        int idx = (0x80000000>>>zeroNumPos) ^ pos;
        newd = new Descriptor<E>(desc.size + 1, new WriteDescriptor<E>(
                buckets.get(bucketInd), idx, null, e));
    } while (!descriptor.compareAndSet(desc, newd));
    descriptor.get().completeWrite();
}

可以看到，这个方法主体部分是一个do-while循环，用来不断尝试对descriptor的设置。也就是通过CAS保证了descriptor的一致性和安全性。在第23行，使用descriptor将数据真正地写入数组中。这个descriptor写入的数据由20~21行构造的WriteDescriptor决定。

摘自：实战Java高并发程序设计

【实战Java高并发程序设计1】Java中的指针：Unsafe类
【实战Java高并发程序设计2】无锁的对象引用：AtomicReference
【实战Java高并发程序设计 3】带有时间戳的对象引用：AtomicStampedReference
【实战Java高并发程序设计 4】数组也能无锁AtomicIntegerArray
【实战Java高并发程序设计5】让普通变量也享受原子操作