前往小程序,Get更优阅读体验!
立即前往
首页
学习
活动
专区
工具
TVP
发布
社区首页 >专栏 >Java原子操作类,你知道多少?

Java原子操作类,你知道多少?

原创
作者头像
李红
发布2019-05-28 16:17:30
3490
发布2019-05-28 16:17:30
举报
文章被收录于专栏:Java程序猿部落Java程序猿部落

原子操作类简介

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 更新基本类型变量,数组元素,引用类型以及更新对象中的字段类型。 atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据,在Java中则是使用CAS操作具体实现。

CAS

随着硬件指令集的发展,我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略: 先进行操作,如果没有其它线程争用共享数据,那操作就成功了,否则采取补偿措施(不断地重试,直到成功为止)。 这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞,因此这种同步操作称为非阻塞同步。 乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性,这里就不能再使用互斥同步来保证了,只能靠硬件来完成。 硬件支持的原子性操作最典型的是:比较并交换(Compare-and-Swap,CAS)。 CAS 指令需要有 3 个操作数,分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。 当执行操作时,只有当 V 的值等于 A,才将 V 的值更新为 B。

代码语言:javascript
复制
//著名的CAS
//var1是比较值所属的对象,var2需要比较的值(但实际是使用地址偏移量来实现的),
//如果var1对象中偏移量为var2处的值等于var4,那么将该处的值设置为var5并返回true,如果不等于var4则返回false。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
  • CAS的问题

1.ABA问题

如果一个变量初次读取的时候是 A 值,它的值被改成了 B,后来又被改回为 A,那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。

J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题, 它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。 大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性, 如果需要解决 ABA 问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

2.自旋时间长开销大

自旋CAS(也就是不成功就一直循环执行直到成功)如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。 如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升,pause指令有两个作用, 第一它可以延迟流水线执行指令(de-pipeline),使CPU不会消耗过多的执行资源, 延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零。 第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(memory order violation) 而引起CPU流水线被清空(CPU pipeline flush),从而提高CPU的执行效率。

3.只能保证一个共享变量的原子操作 CAS只对单个共享变量有效,当操作涉及跨多个共享变量时CAS无效。 但是从 JDK 1.5开始,提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性, 可以把多个变量封装成对象里来进行 CAS 操作. 所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量封装成一个共享变量来操作。

  • synchronized VS CAS

元老级的synchronized(未优化前)最主要的问题是: 在存在线程竞争的情况下会出现线程阻塞和唤醒锁带来的性能问题,因为这是一种互斥同步(阻塞同步)。 而CAS并不是武断的将线程挂起,当CAS操作失败后会进行一定的尝试,而不是进行耗时的挂起唤醒的操作, 因此也叫做非阻塞同步。这是两者主要的区别。

原子更新基本类

atomic包提高原子更新基本类的工具类,如下:

代码语言:javascript
复制
AtomicBoolean //以原子更新的方式更新Boolean

AtomicIntege //以原子更新的方式更新Integer

AtomicLong //以原子更新的方式更新Long
  • 以AtomicInteger为例总结常用的方法:
代码语言:javascript
复制
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

AtomicInteger的getAndIncrement()方法源码如下:

代码语言:javascript
复制
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

实际上是调用了unsafe实例的getAndAddInt方法,unsafe实例的获取时通过UnSafe类的静态方法getUnsafe获取:

代码语言:javascript
复制
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
public class AtomicIntegerDemo {
    // 请求总数
    public static int clientTotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    //java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //Semaphore和CountDownLatch模拟并发
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            executorService.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        System.out.println("count:{"+count.get()+"}");
    }

    public static void add() {
        count.incrementAndGet();
    }
}

输出结果:

代码语言:javascript
复制
count:{5000}

AtomicLong的实现原理和AtomicInteger一致,只不过一个针对的是long变量,一个针对的是int变量。 而boolean变量的更新类AtomicBoolean类是怎样实现更新的呢?核心方法是compareAndSet()方法,其源码如下:

代码语言:javascript
复制
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
    int e = expect ? 1 : 0;
    int u = update ? 1 : 0;
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}

可以看出,compareAndSet方法的实际上也是先转换成0,1的整型变量, 然后是通过针对int型变量的原子更新方法compareAndSwapInt来实现的。 可以看出atomic包中只提供了对boolean,int ,long这三种基本类型的原子更新的方法, 参考对boolean更新的方式,原子更新char,doule,float也可以采用类似的思路进行实现。

原子更新数组

atomic包下提供能原子更新数组中元素的类有:

代码语言:javascript
复制
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:

代码语言:javascript
复制
getAndAdd(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

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

代码语言:javascript
复制
public class AtomicIntegerArrayDemo {
    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1的位置的元素加5
        int result = integerArray.getAndAdd(1, 5);
        System.out.println(integerArray.get(1));
        System.out.println(result);
    }
}

输出结果:

代码语言:javascript
复制
7
2

原子更新引用类型

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:

代码语言:javascript
复制
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

这几个类的使用方法也是基本一样的,以AtomicReference为例。

代码语言:javascript
复制
public class AtomicReferenceDemo {

    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 +
                    '}';
        }
    }
}

输出结果:

代码语言:javascript
复制
User{userName='a', age=1}
User{userName='b', age=2}

首先将对象User1用AtomicReference进行封装,然后调用getAndSet方法, 从结果可以看出,该方法会原子更新引用的user对象, 变为User{userName='b', age=2},返回的是原来的user对象User{userName='a', age=1}。

原子更新字段类型

如果需要更新对象的某个字段,并在多线程的情况下,能够保证线程安全,atomic同样也提供了相应的原子操作类:

代码语言:javascript
复制
AtomicIntegeFieldUpdater //原子更新整型字段类

AtomicLongFieldUpdater //原子更新长整型字段类

AtomicStampedReference //原子更新引用类型,这种更新方式会带有版本号。
// 而为什么在更新的时候会带有版本号,是为了解决CAS的ABA问题;

要想使用原子更新字段需要两步操作:

  • 原子更新字段类都是抽象类,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

这几个类提供的方法基本一致,以AtomicIntegerFieldUpdater为例。

代码语言:javascript
复制
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {
    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater =
        AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
    
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("a", 1);
        int oldValue = updater.getAndAdd(user, 5);
        System.out.println(oldValue);
        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 +
                    '}';
        }
    }
}

输出结果:

代码语言:javascript
复制
1
6

创建AtomicIntegerFieldUpdater是通过它提供的静态方法进行创建, getAndAdd方法会将指定的字段加上输入的值,并且返回相加之前的值。 user对象中age字段原值为1,加5之后,可以看出user对象中的age字段的值已经变成了6。

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

原创声明:本文系作者授权腾讯云开发者社区发表,未经许可,不得转载。

如有侵权,请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除。

评论
登录后参与评论
0 条评论
热度
最新
推荐阅读
目录
  • 原子操作类简介
  • CAS
  • 原子更新基本类
  • 原子更新数组
  • 原子更新引用类型
  • 原子更新字段类型
领券
问题归档专栏文章快讯文章归档关键词归档开发者手册归档开发者手册 Section 归档