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Java原子操作类,你知道多少?

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。

//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:

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:
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:

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:

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:

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:

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:

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:

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。

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:

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:

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。

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:

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:

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。

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:

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。

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