Netty的并发编程实践3：CAS指令和原子类

互斥同步最主要的问题就是进行线程阻塞和唤醒所带来的性能的额外损耗，因此这种同步被称为阻塞同步，它属于一种悲观的并发策略，我们称之为悲观锁。随着硬件和操作系统指令集的发展和优化，产生了非阻塞同步，被称为乐观锁。简单地说，就是先进行操作，操作完成之后再判断操作是否成功，是否有并发问题，如果有则进行失败补偿，如果没有就算操作成功，这样就从根本上避免了同步锁的弊端。

目前，在Java中应用最广泛的非阻塞同步就是CAS，在IA64、X86指令集中通过cmpxchg指令完成CAS功能，在sparc-TSO中由case指令完成，在ARM和PowerPC架构下，需要使用一对Idrex/strex指令完成。

从JDK1.5以后，可以使用CAS操作，该操作由sun.misc.Unsafe类里的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等方法包装提供。通常情况下sun.misc.Unsafe类对于开发者是不可见的，因此，JDK提供了很多CAS包装类简化开发者的使用，如AtomicInteger。

下面，结合Netty的源码，我们对原子类的正确使用进行详细说明。

打开ChannelOutboundBuffer的代码，看看如何对发送的总字节数进行计数和更新操作，先看定义，如图21-9所示。

图21-9  原子类的应用

首先定义了一个volatile的变量，它可以保证某个线程对于totalPendingSize的修改可以被其他线程立即访问，但是，它无法保证多线程并发修改的安全性。紧接着又定义了一个AtomicIntegerFieldUpdater类型的变量WTOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER，实现totalPendingSize的原子更新，也就是保证totalPendingSize的多线程修改并发安全性，我们重点看AtomicIntegerFieldUpdater的API说明，如图21-10所示。

从API的说明可以看出，它主要用于实现volatile修饰的int变量的原子更新操作，对于使用者，必须通过类似compareAndSet或者set或者与这些操作等价的原子操作来保证更新的原子性，否则会导致问题。

图21-10 AtomicIntegerFieldUpdater Java DOC说明

继续看代码，当执行write操作外发消息的时候，需要对外发的消息字节数进行统计汇总。由于调用write操作的既可以是I/O线程，也可以是业务的线程，还可能由业务线程池多个工作线程同时执行发送任务，因此，统计操作是多线程并发的，这也就是为什么要将计数器定义成volatile并使用原子更新类进行原子操作。下面看计数的代码，如图21-11所示。

图21-11  通过自旋对计数器进行更新

首先，我们发现计数操作并没有使用锁，而是利用CAS自旋操作，通过TOTAL_ PENDING_SIZE_UPDATER.compareAndSet(this,oldValue, newWriteBufferSize)来判断本次原子操作是否成功。如果成功则退出循环，代码继续执行；如果失败，说明在本次操作的过程中计数器已经被其他线程更新成功，需要进入循环，首先对oldValue进行更新，代码如下。

oldValue= totalPendingSize;

然后重新对更新值进行计算。

newWriteBufferSize= oldValue + size;

继续循环进行CAS操作，直到成功。它跟AtomicInteger的compareAndSet操作类似。

使用Java自带的Atomic原子类，可以避免同步锁带来的并发访问性能降低的问题，减少犯错的机会。因此，Netty中对于int、long、boolean等成员变量大量使用其原子类，减少了锁的应用，从而降低了频繁使用同步锁带来的性能下降。