getAndSet()方法的深度解读

2023-09-25 17:38:10

技术的发展推动了计算机性能的提升，摩尔定律的支持下，集成电路上可容纳的晶体管数量大约每隔两年便会增加一倍，更高的晶体管数量可实现更多的运算速度。而当处理器的计算速度超过内存时，便会导致CPU等待内存的数据导致性能下降，针对这一问题，处理器厂商提出了高速缓存的概念。通过这种方式，处理器可以在访问内存中的数据之前，先在高速缓存中查看数据是否存在。若存在，则直接读取数据；若不存在，则从内存中读取数据并将其存储在高速缓存中，以备下次使用。

如果我们假设一个不存在于缓存中的数据，当处理单元需要使用此数据时，硬件首先会发送一个查询请求，以查找数据在内存中的位置。接着硬件会从内存中获取此数据，并将它拷贝到缓存之中。我们称这个过程为缓存缺失(cache miss)。造成缓存缺失的原因有很多种，比如程序首次访问该数据或缓存空间已经用尽。

多线程程序中，多个线程可能会同时尝试修改同一个共享变量，这会导致数据不一致。为了解决这个问题，Java中引入了volatile和synchronized关键字。volatile关键字可以保证变量的可见性，即一个线程对变量的修改，可以立即被其他线程看到。synchronized关键字可以保证变量的原子性，即一个线程对变量的修改，不会被其他线程打断。

getAndSet()方法是一个原子操作，这意味着它可以保证在多线程环境下，变量的修改是原子性的。具体来说，getAndSet()方法先获取变量的当前值，然后将变量的值设置为给定的值。这个操作是原子的，这意味着它不会被其他线程打断。

在实际使用中，getAndSet()方法可以用于实现各种并发数据结构，比如无锁队列和并发栈。这些数据结构可以保证在多线程环境下，数据的一致性和正确性。

以下是一个使用getAndSet()方法实现无锁队列的示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class LockFreeQueue<E> {

    private AtomicReference<Node<E>> head;
    private AtomicReference<Node<E>> tail;

    public LockFreeQueue() {
        this.head = new AtomicReference<>(null);
        this.tail = head;
    }

    public void enqueue(E value) {
        Node<E> newNode = new Node<>(value);
        while (true) {
            Node<E> last = tail.get();
            if (last.next.compareAndSet(null, newNode)) {
                tail.compareAndSet(last, newNode);
                break;
            }
        }
    }

    public E dequeue() {
        while (true) {
            Node<E> first = head.get();
            Node<E> next = first.next.get();
            if (first == tail.get()) {
                if (next == null) {
                    return null;
                }
                tail.compareAndSet(first, next);
            } else {
                if (head.compareAndSet(first, next)) {
                    return first.value;
                }
            }
        }
    }

    private static class Node<E> {
        private E value;
        private AtomicReference<Node<E>> next;

        public Node(E value) {
            this.value = value;
            this.next = new AtomicReference<>(null);
        }
    }
}