java多线程之原子操作类

简介: java多线程之原子操作类

一、概述

当程序更新一个变量时,如果多线程同时更新这个变量,可能得到期望之外的值,比如变 量i=1,A线程更新i+1,B线程也更新i+1,经过两个线程操作之后可能i不等于3,而是等于2。因 为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1,这就是线程不安全的更新操作,通常我们会使 用synchronized来解决这个问题,synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。

而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包(以下简称Atomic包),这个包中 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。 因为变量的类型有很多种,所以在Atomic包里一共提供了13个类,属于4种类型的原子更 新方式,分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性(字段)。

二、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。

以上3个类提供的方法几乎一模一样,所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解, AtomicInteger的常用方法如下

  • 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。
  • int incrementAndGet():以原子方式将当前值加1b并返回旧值,注意,这里返回的是自增前的值
  • int get():获取当前值
  • int compareAndSet(int expect, int update):用CAS方式设置:,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。
  • 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

那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢?让我们一起分析其实现原理, getAndIncrement的源码如代码

    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

源码中for循环体的第一步先取得AtomicInteger里存储的数值,第二步对AtomicInteger的当 前数值进行加1操作,关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作,该方法先检 查当前数值是否等于current,等于意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过,则将 AtomicInteger的当前数值更新成next的值,如果不等compareAndSet方法会返回false,程序会进 入for循环重新进行compareAndSet操作。

Atomic包提供了3种基本类型的原子更新,但是Java的基本类型里还有char、float和double 等。那么问题来了,如何原子的更新其他的基本类型呢?Atomic包里的类基本都是使用Unsafe 实现的,让我们一起看一下Unsafe的源码

/**
* 如果当前数值是expected,则原子的将Java变量更新成x
* @return 如果更新成功则返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o,
long offset,
Object expected,
Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,
long expected,
long x);

通过代码,我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法:

compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong,再看AtomicBoolean源码,发现它是先把Boolean转换成整 型,再使用compareAndSwapInt进行CAS,所以原子更新char、float和double变量也可以用类似 的思路来实现

Atomic类是通过无锁(lock-free)的方式实现的线程安全(thread-safe)访问。它的主要原理是利用了CAS:Compare and Set。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet(),它大概长这样:

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( ! var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

CAS是指,在这个操作中,如果AtomicInteger的当前值是prev,那么就更新为next,返回true。如果AtomicInteger的当前值不是prev,就什么也不干,返回false。通过CAS操作并配合do ... while循环,即使其他线程修改了AtomicInteger的值,最终的结果也是正确的。

我们利用AtomicLong可以编写一个多线程安全的全局唯一ID生成器:

class IdGenerator {
    AtomicLong var = new AtomicLong(0);
 
    public long getNextId() {
        return var.incrementAndGet();
    }
}

通常情况下,我们并不需要直接用do ... while循环调用compareAndSet实现复杂的并发操作,而是用incrementAndGet()这样的封装好的方法,因此,使用起来非常简单。

在高度竞争的情况下,还可以使用Java 8提供的LongAdderLongAccumulator

三、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4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。

AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型,其常用方法如下。

  • 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。

以上几个类提供的方法几乎一样,所以本节仅以AtomicIntegerArray为例进行讲解

public class Test {
    static int[] value = new int[] { 1,2 };
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0,3);
        System.out.println(ai.get(0));
        System.out.println(value[0]);
    }
}

需要注意的是,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

四、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。构造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef,boolean initialMark)。

以上几个类提供的方法几乎一样,所以本节仅以AtomicReference为例进行讲解, AtomicReference的使用示例代码

public class AtomicReferenceTest {
    public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new
            AtomicReference<user>();
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("conan", 15);
        atomicUserRef.set(user);
        User updateUser = new User("Shinichi", 17);
        atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
        System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
    }
    static class User {
        private String name;
        private int old;
        public User(String name,int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

代码中首先构建一个user对象,然后把user对象设置进AtomicReferenc中,最后调用 compareAndSet方法进行原子更新操作,实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法

代码输出

Shinichi
 
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五、原子更新字段类

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。 要想原子地更新字段类需要两步。

第一步,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。

第 二步,更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符。

以上3个类提供的方法几乎一样,所以本节仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解, AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    // 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<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.
            newUpdater(User.class,"old");
    public static void main(String[] args) {
// 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("conan",10);
// 柯南长了一岁,但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
// 输出柯南现在的年龄
        System.out.println(a.get(conan));
    }
    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;
        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

//输出

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