前言
在应用多线程并发编程的时，常常会遇到对共享变量批改操作。此时咱们能够抉择ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue来进行平安地存储数据。但如果单单是波及状态的批改，线程执行程序问题，应用Atomic结尾的原子组件或者ReentrantLock、CyclicBarrier之类的同步组件，会是更好的抉择，上面将一一介绍它们的原理和用法
- 原子组件的实现原理CAS
- AtomicBoolean、AtomicIntegerArray等原子组件的用法、
- 同步组件的实现原理
- ReentrantLock、CyclicBarrier等同步组件的用法
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原子组件的实现原理CAS
- cas的底层实现能够看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现
利用场景
- 可用来实现变量、状态在多线程下的原子性操作
- 可用于实现同步锁(ReentrantLock)
原子组件
- 原子组件的原子性操作是靠应用cas来自旋操作volatile变量实现的
- volatile的类型变量保障变量被批改时，其余线程都能看到最新的值
cas则保障value的批改操作是原子性的，不会被中断
根本类型原子类
AtomicBoolean //布尔类型AtomicInteger //正整型数类型AtomicLong //长整型类型应用示例
public static void main(String[] args) throws Exception { AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(false); //异步线程批改atomicBoolean CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() ->{ try { Thread.sleep(1000); //保障异步线程是在主线程之后批改atomicBoolean为false atomicBoolean.set(false); }catch (Exception e){ throw new RuntimeException(e); } }); atomicBoolean.set(true); future.join(); System.out.println("boolean value is:"+atomicBoolean.get());}---------------输入后果------------------boolean value is:false
援用类原子类
AtomicReference//加工夫戳版本的援用类原子类AtomicStampedReference//相当于AtomicStampedReference，AtomicMarkableReference关怀的是//变量是否还是原来变量，两头被批改过也无所谓AtomicMarkableReferenceAtomicReference的源码如下，它外部定义了一个
volatile V value，并借助VarHandle(具体子类是FieldInstanceReadWrite)实现原子操作，MethodHandles会帮忙计算value在类的偏移地位，最初在VarHandle调用Unsafe.public final native boolean compareAndSetReference(Object o, long offset, Object expected, Object x)办法原子批改对象的属性public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L; private static final VarHandle VALUE; static { try { MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup(); VALUE = l.findVarHandle(AtomicReference.class, "value", Object.class); } catch (ReflectiveOperationException e) { throw new ExceptionInInitializerError(e); } } private volatile V value; ....ABA问题
- 线程X筹备将变量的值从A改为B，然而这期间线程Y将变量的值从A改为C，而后再改为A；最初线程X检测变量值是A，并置换为B。但实际上，A曾经不再是原来的A了
- 解决办法，是把变量定为惟一类型。值能够加上版本号，或者工夫戳。如加上版本号，线程Y的批改变为A1->B2->A3，此时线程X再更新则能够判断出A1不等于A3
AtomicStampedReference的实现和AtomicReference差不多，不过它原子批改的变量是
volatile Pair<V> pair;，Pair是其内部类。AtomicStampedReference能够用来解决ABA问题public class AtomicStampedReference<V> { private static class Pair<T> { final T reference; final int stamp; private Pair(T reference, int stamp) { this.reference = reference; this.stamp = stamp; } static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) { return new Pair<T>(reference, stamp); } } private volatile Pair<V> pair;- 如果咱们不关怀变量在两头过程是否被批改过，而只是关怀以后变量是否还是原先的变量，则能够应用AtomicMarkableReference
AtomicStampedReference的应用示例
public class Main { public static void main(String[] args) throws Exception { Test old = new Test("hello"), newTest = new Test("world"); AtomicStampedReference<Test> reference = new AtomicStampedReference<>(old, 1); reference.compareAndSet(old, newTest,1,2); System.out.println("对象："+reference.getReference().name+";版本号："+reference.getStamp()); }}class Test{ Test(String name){ this.name = name; } public String name;}---------------输入后果------------------对象：world;版本号：2数组原子类
AtomicIntegerArray //整型数组AtomicLongArray //长整型数组AtomicReferenceArray //援用类型数组- 数组原子类外部会初始一个final的数组，它把整个数组当做一个对象，而后依据下标index计算法元素偏移量，再调用UNSAFE.compareAndSetReference进行原子操作。数组并没被volatile润饰，为了保障元素类型在不同线程的可见，获取元素应用到了UNSAFE
public native Object getReferenceVolatile(Object o, long offset)办法来获取实时的元素值 应用示例
//元素默认初始化为0AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(2);// 下标为０的元素，期待值是0，更新值是１array.compareAndSet(0,0,1);System.out.println(array.get(0));---------------输入后果------------------1
属性原子类
AtomicIntegerFieldUpdater AtomicLongFieldUpdaterAtomicReferenceFieldUpdater- 如果操作对象是某一类型的属性，能够应用AtomicIntegerFieldUpdater原子更新，不过类的属性须要定义成volatile润饰的变量，保障该属性在各个线程的可见性，否则会报错
应用示例
public class Main { public static void main(String[] args) { AtomicReferenceFieldUpdater<Test,String> fieldUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Test.class,String.class,"name"); Test test = new Test("hello world"); fieldUpdater.compareAndSet(test,"hello world","siting"); System.out.println(fieldUpdater.get(test)); System.out.println(test.name); }}class Test{ Test(String name){ this.name = name; } public volatile String name;}---------------输入后果------------------sitingsiting
累加器
Striped64LongAccumulatorLongAdder//accumulatorFunction：运算规定，identity：初始值public LongAccumulator(LongBinaryOperator accumulatorFunction,long identity)- LongAccumulator和LongAdder都继承于Striped64，Striped64的次要思维是和ConcurrentHashMap有点相似，分段计算，单个变量计算并发性能慢时，咱们能够把数学运算扩散在多个变量，而须要计算总值时，再一一累加起来
- LongAdder相当于LongAccumulator一个特例实现
LongAccumulator的示例
public static void main(String[] args) throws Exception { LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator(Long::sum, 0); for(int i=0;i<100000;i++){ CompletableFuture.runAsync(() -> accumulator.accumulate(1)); } Thread.sleep(1000); //期待全副CompletableFuture线程执行实现，再获取 System.out.println(accumulator.get());}---------------输入后果------------------100000同步组件的实现原理
- java的少数同步组件会在外部保护一个状态值，和原子组件一样，批改状态值时个别也是通过cas来实现。而状态批改的保护工作被Doug Lea形象出AbstractQueuedSynchronizer(AQS)来实现
- AQS的原理能够看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现
同步组件
ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock
- ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock都是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的。因为它们有偏心锁和非偏心锁的辨别，因而没间接继承AQS，而是应用外部类去继承，偏心锁和非偏心锁各自实现AQS，ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock再借助外部类来实现同步
ReentrantLock的应用示例
ReentrantLock lock = new ReentrantLock();if(lock.tryLock()){ //业务逻辑 lock.unlock();}ReentrantReadWriteLock的应用示例
public static void main(String[] args) throws Exception { ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); if(lock.readLock().tryLock()){ //读锁 //业务逻辑 lock.readLock().unlock(); } if(lock.writeLock().tryLock()){ //写锁 //业务逻辑 lock.writeLock().unlock(); }}Semaphore实现原理和应用场景
- Semaphore和ReentrantLock一样，也有偏心和非公平竞争锁的策略，一样也是通过外部类继承AQS来实现同步
- 艰深解释：假如有一口井，最多有三个人的地位打水。每有一个人打水，则须要占用一个地位。当三个地位全副占满时，第四个人须要打水，则要期待前三个人中一个来到打水位，能力持续获取打水的地位
应用示例
public static void main(String[] args) throws Exception { Semaphore semaphore = new Semaphore(2); for (int i = 0; i < 3; i++) CompletableFuture.runAsync(() -> { try { System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " start "); if(semaphore.tryAcquire(1)){ Thread.sleep(1000); semaphore.release(1); System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 无阻塞完结 "); }else { System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 被阻塞完结 "); } } catch (Exception e) { throw new RuntimeException(e); } }); //保障CompletableFuture 线程被执行，主线程再完结 Thread.sleep(2000);}---------------输入后果------------------Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] start Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] start Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] start Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] 被阻塞完结 Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] 无阻塞完结 Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] 无阻塞完结能够看出三个线程，因为信号量设定为２，第三个线程是无奈获取信息胜利的，会打印阻塞完结
CountDownLatch实现原理和应用场景
- CountDownLatch也是靠AQS实现的同步操作
- 艰深解释：玩游戏时，如果主线工作须要靠实现五个小工作，主线工作能力持续进行时。此时能够用CountDownLatch，主线工作阻塞期待，每实现一小工作，就done一次计数，直到五个小工作全副被执行能力触发主线
应用示例
public static void main(String[] args) throws Exception { CountDownLatch count = new CountDownLatch(2); for (int i = 0; i < 2; i++) CompletableFuture.runAsync(() -> { try { Thread.sleep(1000); System.out.println(" CompletableFuture over "); count.countDown(); } catch (Exception e) { throw new RuntimeException(e); } }); //期待CompletableFuture线程的实现 count.await(); System.out.println(" main over ");}---------------输入后果------------------ CompletableFuture over CompletableFuture over main overCyclicBarrier实现原理和应用场景
- CyclicBarrier则是靠
ReentrantLock lock和Condition trip属性来实现同步 - 艰深解释：CyclicBarrier须要阻塞全副线程到await状态，而后全副线程再全副被唤醒执行。设想有一个栏杆拦住五只羊，须要当五只羊一起站在栏杆时，栏杆才会被拉起，此时所有的羊都能够飞跑出羊圈
应用示例
public static void main(String[] args) throws Exception { CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2); CompletableFuture.runAsync(()->{ try { System.out.println("CompletableFuture run start-"+ Clock.systemUTC().millis()); barrier.await(); //须要期待main线程也执行到await状态能力继续执行 System.out.println("CompletableFuture run over-"+ Clock.systemUTC().millis()); }catch (Exception e){ throw new RuntimeException(e); } }); Thread.sleep(1000); //和CompletableFuture线程互相期待 barrier.await(); System.out.println("main run over!");}---------------输入后果------------------CompletableFuture run start-1609822588881main run over!CompletableFuture run over-1609822589880StampedLock
- StampedLock不是借助AQS，而是本人外部保护多个状态值，并配合cas实现的
- StampedLock具备三种模式：写模式、读模式、乐观读模式
StampedLock的读写锁能够互相转换
//获取读锁，自旋获取，返回一个戳值public long readLock()//尝试加读锁，不胜利返回0public long tryReadLock()//解锁public void unlockRead(long stamp) //获取写锁，自旋获取，返回一个戳值public long writeLock()//尝试加写锁，不胜利返回0public long tryWriteLock()//解锁public void unlockWrite(long stamp)//尝试乐观读读取一个工夫戳，并配合validate办法校验工夫戳的有效性public long tryOptimisticRead()//验证stamp是否无效public boolean validate(long stamp)应用示例
public static void main(String[] args) throws Exception { StampedLock stampedLock = new StampedLock(); long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); //判断版本号是否失效 if (!stampedLock.validate(stamp)) { //获取读锁，会空转 stamp = stampedLock.readLock(); long writeStamp = stampedLock.tryConvertToWriteLock(stamp); if (writeStamp != 0) { //胜利转为写锁 //fixme 业务操作 stampedLock.unlockWrite(writeStamp); } else { stampedLock.unlockRead(stamp); //尝试获取写读 stamp = stampedLock.tryWriteLock(); if (stamp != 0) { //fixme 业务操作 stampedLock.unlockWrite(writeStamp); } } }}
欢送指注释中谬误
参考文章
- 并发之Striped64（l累加器）