Java多线程之原子操作类

jiezi

5 年前

在并发编程中很容易出现并发安全问题，最简单的例子就是多线程更新变量 i =1，多个线程执行 i ++ 操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过 Synchronized 进行控制来达到线程安全的目的。但是由于 synchronized 是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。实际上，在 J.U.C 下的 Atomic 包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新多种类型。Atomic 包下的这些类都是采用乐观锁策略 CAS 来更新数据。

CAS 操作（又称为无锁操作）是一种乐观锁策略。它假设所有线程访问共享资源的时候不会出现冲突，因此不会阻塞其他线程的操作。那么，如果出现冲突了怎么办？无锁操作是使用 CAS(compare and swap)来鉴别线程是否出现冲突，出现冲突就重试当前操作直到没有冲突为止。

举例说明：
Atomic 包中的 AtomicInteger 类，是通过 Unsafe 类下的 native 函数 compareAndSwapInt 自旋来保证原子性，
其中 incrementAndGet 函数调用的 getAndAddInt 函数如下所示：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

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，否则什么都不做。
可见只有自旋实现更新数据操作之后，while 循环才能够结束。

自旋时间过长。由 compareAndSwapInt 函数可知，自旋时间过长会对性能是很大的消耗。
ABA 问题。因为 CAS 会检查旧值有没有变化，这里存在这样一个有意思的问题。比如一个旧值 A 变为了成 B，然后再变成 A，刚好在做 CAS 时检查发现旧值并没有变化依然为 A，但是实际上的确发生了变化。解决方案可以添加一个版本号可以解决。原来的变化路径 A ->B->A 就变成了 1A->2B->3C，或使用 AtomicStampedReference 工具类。

Atomic 包中原子更新基本类型的工具类：
AtomicBoolean：以原子更新的方式更新 boolean；
AtomicInteger：以原子更新的方式更新 Integer;
AtomicLong：以原子更新的方式更新 Long；

这几个类的用法基本一致，这里以 AtomicInteger 为例总结常用的方法

addAndGet(int delta)：以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加，并返回最后的结果；
incrementAndGet()：以原子的方式将实例中的原值进行加 1 操作，并返回最终相加后的结果；
getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
getAndIncrement()：以原子的方式将实例中的原值加 1，返回的是自增前的旧值；

原理不再赘述，参考上文 compareAndSwapInt 函数。

AtomicInteger 使用示例：

public class AtomicExample {private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2);

    public static void main(String[] args) {System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}
// 2 4 4

为了解决自旋导致的性能问题，JDK8 在 Atomic 包中推出了 LongAdder 类。LongAdder 采用的方法是，共享热点数据分离的计数：将一个数字的值拆分为一个数组。不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的那个值进行 CAS 操作，这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多；要得到这个数字的话，就要把这个值加起来。相比 AtomicLong，并发量大大提高。

优点：有很高性能的并发写的能力
缺点：读取的性能不是很高效，而且如果读取的时候出现并发写的话，结果可能不是正确的

Atomic 包中提供能原子更新数组中元素的工具类：
AtomicIntegerArray：原子更新整型数组中的元素；
AtomicLongArray：原子更新长整型数组中的元素；
AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组中的元素

这几个类的用法一致，就以 AtomicIntegerArray 来总结下常用的方法：

addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为 i 的元素与输入值相加；
getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为 i 的元素自增加 1；
compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为 i 的位置的元素进行更新

AtomicIntegerArray 与 AtomicInteger 的方法基本一致，只不过在前者的方法中会多一个指定数组索引位 i。

AtomicIntegerArray 使用示例：

public class AtomicExample {private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {
        // 对数组中索引为 2 的位置的元素加 3
        int result = integerArray.getAndAdd(2, 3);
        System.out.println(integerArray.get(2));
        System.out.println(result);
    }
}
// 6 3

如果需要原子更新引用类型变量的话，为了保证线程安全，Atomic 也提供了相关的类：

AtomicReference<T>：原子更新引用类型；
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段；
AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型；

AtomicReference 使用示例：

public class AtomicExample {private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {User user1 = new User("a", 1);
        reference.set(user1);
        User user2 = new User("b",2);
        User user = reference.getAndSet(user2);
        System.out.println(user);
        System.out.println(reference.get());
    }

    static class User {
        private String userName;
        private int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}
// User{userName='a', age=1}
// User{userName='b', age=2}

AtomicReferenceFieldUpdater 使用示例：

public class AtomicExample {public static void main(String[] args) {AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Dog.class, String.class, "name");
        Dog dog1 = new Dog();
        updater.compareAndSet(dog1, dog1.name, "cat");
        System.out.println(dog1.name);
    }
}

class Dog {volatile String name = "dog1";}

如果需要更新对象的某个字段，Atomic 同样也提供了相应的原子操作类：

AtomicIntegeFieldUpdater：原子更新整型字段类；
AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段类；

要想使用原子更新字段需要两步操作：
原子更新字段类型类都是抽象类，只能通过静态方法 newUpdater 来创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性；
更新类的属性必须使用 public volatile 进行修饰；

AtomicIntegerFieldUpdater 使用示例：

public class AtomicExample {private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");

    public static void main(String[] args) {User user = new User("a", 1);
        System.out.println(updater.getAndAdd(user, 5));
        System.out.println(updater.addAndGet(user, 1));
        System.out.println(updater.get(user));
    }

    static class User {
        private String userName;
        public volatile int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}

AtomicStampedReference：原子更新引用类型，这种更新方式会带有版本号，从而解决 CAS 的 ABA 问题

AtomicStampedReference 使用示例：

public class AtomicExample {public static void main(String[] args) {
        Integer init1 = 1110;
//        Integer init2 = 126;
        AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(init1, 1);
        int curent1 = reference.getReference();
//        Integer current2 = reference.getReference();
        reference.compareAndSet(reference.getReference(), reference.getReference() + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);// 正确写法
//        reference.compareAndSet(current2, current2+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);// 正确写法
//        reference.compareAndSet(1110, 1111, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);// 错误写法
//        reference.compareAndSet(curent1, curent1+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);// 错误写法
//        reference.compareAndSet(current2, current2 + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
        System.out.println("reference.getReference() =" + reference.getReference());
    }
}

参考上面的代码，分享一个笔者遇到的一次坑。AtomicStampedReference 的 compareAndSet 函数中，前两个参数是使用包装类的。所以当参数超过 128 时，而且传入参数并不是 reference.getReference()获取的话，会导致 expectedReference == current.reference 为 false，则无法进行更新。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

最后，限于笔者经验水平有限，欢迎读者就文中的观点提出宝贵的建议和意见。如果想获得更多的学习资源或者想和更多的是技术爱好者一起交流，可以关注我的公众号『全菜工程师小辉』后台回复关键词领取学习资料、进入前后端技术交流群和程序员副业群。同时也可以加入程序员副业群 Q 群：735764906 一起交流。

Java多线程之原子操作类

CAS 原理与问题

CAS 的操作过程

CAS 的问题

Atomic 包的使用

原子更新基本类型

LongAdder

原子更新数组类型

原子更新引用类型

原子更新字段类型

解决 CAS 的 ABA 问题

AtomicStampedReference 踩过的坑