并发编程-04线程安全性之原子性Atomic包的4种类型详解

简介: 并发编程-04线程安全性之原子性Atomic包的4种类型详解

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线程安全性文章索引


并发编程-03线程安全性之原子性(Atomic包)及原理分析

并发编程-04线程安全性之原子性Atomic包的4种类型详解

并发编程-05线程安全性之原子性【锁之synchronized】

并发编程-06线程安全性之可见性 (synchronized + volatile)

并发编程-07线程安全性之有序性


脑图



20190216205207715.png



概述


在实际应用中,当我们更新一个变量时,在并发环境下,如果多个线程同时去更新这个变量,更新后的值可能不是我们期望的值。

如果理解Java内存模型 JMM的原理的话,上面这个结论就很容易理解了。可参考下前面写的这篇文章

并发编程-02并发基础CPU多级缓存和Java内存模型JMM


20190217104648337.png



举个例子:

【多线程场景】假设有个变量a在主内存中的初始值为1,线程A和线程B同时从主内存中获取到了a的值,线程A更新a+1,线程B也更新a+1,经过线程AB更新之后可能a不等于3,而是等于2。因为A和B线程在更新变量a的时候从主内存中拿到的a都是1,而不是等A更新完刷新到主内存后,线程B再从主内存中取a的值去更新a,所以这就是线程不安全的更新操作.


解决办法


使用锁 1. 使用synchronized关键字synchronized会保证同一时刻只有一个线程去更新变量. 2、Lock接口【篇幅原因先不讨论synchronized和lock,另开篇介绍】

使用JDK1.5开始提供的java.util.concurrent.atomic包,该包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。

这里我们使用的JDK版本JDK8


原子更新基本类型


使用原子的方式更新基本类型,Atomic包提供了以下3个类。

  • AtomicBoolean:原子更新布尔类型
  • AtomicInteger:原子更新整型
  • AtomicLong:原子更新长整型

以AtomicInteger为例看下JDK8源码中提供的方法


20190217110318196.png


列举几个常用的方法:


int addAndGet(int delta):以原子方式将输入的数值与实例中的值(AtomicInteger里的 value)相加,并返回结果

boolean compareAndSet(int expect,int update):如果输入的数值等于预期值,则以原子方式将该值设置为输入的值

int getAndIncrement():以原子方式将当前值加1,注意,这里返回的是自增前的值

int incrementAndGet():以原子方式将当前值加1,注意,这里返回的是自增后的值

void lazySet(int newValue):最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后,可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值


Demo

package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicIntegerDemo {
  // 实例化一个初始值为5的AtomicInteger
  private static AtomicInteger value = new AtomicInteger(5);
  public static void main(String[] args) {
    // 以原子方式将输入的数值与value 相加,并返回结果 
    log.info("value的值:{}" ,value.addAndGet(3));
    // 获取value的值
    log.info("value的值:{}",value.get());
    // 如果输入的数值等于预期值,则以原子方式将该值设置为输入的值
    log.info("执行结果:{}" ,value.compareAndSet(8, 11)); // 因为经过了addAndGet,操作之前value的值为8,这里会将value更新成11,返回true
    log.info("执行结果:{}" ,value.compareAndSet(5, 11)); // 因为经过了addAndGet,操作之前value的值为8,并不等于5,因此不会更新为11,返回false
    log.info("value的值:{}" ,value.get());
    log.info("value 增长前的值:{}",value.getAndIncrement());
    log.info("value的值:{}" ,value.get());
    log.info("value 增长后的值:{}",value.incrementAndGet());
    log.info("value的值:{}" ,value.get());
    //  最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后,可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值
    value.lazySet(99);
    log.info("lazyset value: {}",value.get());
  }
}


执行结果:


2019021711453823.png

AtomicBoolean 场景举例


假设流程中的某个方法只能执行一次初始化操作, 我们可以设置个flag, 使用AtomicBoolean去更新flag的值,执行方法前调用compareAndSet方法来判断如果该值为flase,更新为true,并执行该方法。 因为是线程安全的,所以后续的访问flag均为true,不满足if条件,所以均不会执行该方法。


package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicBooleanDemo {
  //总请求数
  private static int clientTotal = 5000;
  // 同一时间允许执行的线程数
  private static int threadTotal = 200;
  // 标识  ,使用原子包中的AtomicBoolean  初始化为false
  private static AtomicBoolean atomicBooleanFlag = new AtomicBoolean(false);
  public static void main(String[] args) throws Exception {
    // 线程池
    ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
    // 信号量 同一时间允许threadTotal个请求同时执行 即初始化threadTotal个信号量
    Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
    //定义clientTotal个线程需要执行完,主线程才能继续执行
    CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
    // 循环
    for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
      executorService.execute(() ->{
        try {
          semaphore.acquire();
          doSomething();
          semaphore.release();
        } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
        }
        // 减一
        countDownLatch.countDown();
      });
    }
    // 当全部线程都调用了countDown方法,count的值等于0,然后主线程就能通过await()方法,恢复执行自己的任务。
    countDownLatch.await();
    // 关闭线程池
    executorService.shutdown();
    log.info("flag:{}" ,atomicBooleanFlag.get());
  }
  private static void doSomething() {
    // 如果flag为flase就将其设置为true
    if (atomicBooleanFlag.compareAndSet(false, true)) {
      log.info("doSomething executed");
    }
  }
}


输出


20190217152835372.png

原子更新数组


通过原子的方式更新数组里的某个元素,Atomic包提供了以下3个类。

  • AtomicIntegerArray : 原子更新整型数组里的元素
  • AtomicLongArray : 原子更新长整型数组里的元素
  • AtomicReferenceArray : 原子更新引用类型数组里的元素

我们以AtomicIntegerArray为例来演示下用法


20190217115457828.png

常用方法


int addAndGet(int i,int delta):以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加

boolean compareAndSet(int i,int expect,int update):如果当前值等于预期值,则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值


Demo

package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicIntegerArrayDemo {
  private static int[] array = new int[] { 11, 22 };
  private static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(array);
  public static void main(String[] args) {
    // 给array[0]的值增加33 ,然后返回增长后的值 44
    log.info("atomicIntegerArray addAndGet :{}", atomicIntegerArray.addAndGet(0, 33)); // 44
    // 输出 atomicIntegerArray中
    log.info("atomicIntegerArray get :{}", atomicIntegerArray.get(0)); // 44
    // 数组value通过构造方法传递进去,然后AtomicIntegerArray会将当前数组 复制一份,
    // 所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时,不会影响传入的数组
    log.info("array[0]的值: {}", array[0]); // 11
    // 先get 然后再add ,返回add之前的值
    log.info("atomicIntegerArray getAndAdd :{}", atomicIntegerArray.getAndAdd(0, 33)); // 44
    log.info("atomicIntegerArray .get(0) :{}", atomicIntegerArray.get(0)); // 44+33
    log.info("array[0]的值: {}", array[0]); // 11
    // 先get ,然后再set,返回set之前的数据
    log.info("atomicIntegerArray getAndSet :{}", atomicIntegerArray.getAndSet(0, 33));// 77
    log.info("atomicIntegerArray get(0) :{}", atomicIntegerArray.get(0)); // 33
    log.info("array[0] :{}", array[0]); // 11 
  }
}

20190217130529295.png


数组value通过构造方法传递进去,然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份,所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时,不会影响传入的数组


原子更新引用类型


原子更新基本类型的AtomicInteger,只能更新一个变量,如果要原子更新多个变量,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类.

Atomic包提供了以下3个类


AtomicReference: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。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型


以AtomicReference为例,来看下用法



20190217132527577.png

Demo

package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicReferenceDemo {
  private static AtomicReference<Artisan> atomicReferenceArtisan = new AtomicReference<Artisan>();
  public static void main(String[] args) {
    Artisan expectedArtisan = new Artisan();
    expectedArtisan.setName("小工匠");
    expectedArtisan.setAge(20);
    // 将expectedArtisan设置到atomicReferenceArtisan
    atomicReferenceArtisan.set(expectedArtisan);
    Artisan updateArtisan = new Artisan();
    updateArtisan.setName("小工匠Update");
    updateArtisan.setAge(99);
    // compareAndSet方法进行原子更新操作,如果是expectedArtisan,则更新为updateArtisan
    boolean mark2 = atomicReferenceArtisan.compareAndSet(new Artisan(), updateArtisan);
    log.info("更新是否成功:{}", mark2);// false
    boolean mark = atomicReferenceArtisan.compareAndSet(expectedArtisan, updateArtisan);
    log.info("更新是否成功:{}", mark); // true
    log.info("atomicReferenceArtisan name:{}", atomicReferenceArtisan.get().getName());
    log.info("atomicReferenceArtisan age:{}", atomicReferenceArtisan.get().getAge());
  }
}


结果


20190217132627786.png


原子更新字段类型


如果需原子地更新某个类里的某个字段时,就需要使用原子更新字段类.

Atomic包提供 了以下3个类进行原子字段更新


AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型的字段的更新器。

AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整型字段的更新器。

AtomicStampedReference:原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关

联起来,可用于原子的更新数据和数据的版本号,可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的ABA问题。


使用注意事项:


  1. 第一:因为原子更新字段类都是抽象类,每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器,并且需要设置想要更新的类和属性
  2. 第二:更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符


Demo

package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {
  // 创建原子更新器,并设置需要更新的对象类和对象的属性
  private static AtomicIntegerFieldUpdater<Artisan2> atomicIntegerFieldUpdaterArtisan = AtomicIntegerFieldUpdater
      .newUpdater(Artisan2.class, "age");
  public static void main(String[] args) {
    Artisan2 artisan = new Artisan2();
    artisan.setAge(20);
    log.info("目前atomicIntegerFieldUpdaterArtisan中age的值为:{}",atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.get(artisan));
    if (atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.compareAndSet(artisan, 20, 99)) {
      log.info("artisan的age属性的值期望为20,则将20更新为99,更新成功");
    }
    // 获取artisan更新后的age的值
    log.info("目前atomicIntegerFieldUpdaterArtisan中age的值为:{}",atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.get(artisan));
    if (atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.compareAndSet(artisan, 20, 99)) {
      log.info("artisan的age属性的值期望为20,则将20更新为99,更新成功");
    }else {
      log.info("artisan的age属性的值期望为20,则将20更新为99,更新失败. 目前age的值为:{}",atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.get(artisan));
    }
  }
}


package com.artisan.example.atomic;
import lombok.Data;
@Data
public class Artisan2 {
  String name;
  public volatile int age;
}

结果:


2019021714282357.png


原子类线程安全的原理


请参考上篇博客,主要是UnSafe 以及compareAndSwapInt ( CAS). 【JDK8和8以前的实现方式略有不同

https://blog.csdn.net/yangshangwei/article/details/87489745#incrementAndGetUnSafe__compareAndSwapInt_CAS_54


代码


https://github.com/yangshangwei/ConcurrencyMaster

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