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Java多線程 原子操作類詳細(xì)

 更新時間:2021年10月07日 11:43:58   作者:JavaWarriors  
這篇文章主要介紹了Java多線程中的原子操作類,原子的本意是不能被分割的粒子,而對于一個操作來說,如果它是不可被中斷的一個或者一組操作,那么他就是原子操作。顯然,原子操作是安全的,因?yàn)樗粫淮驍?需要的朋友可以參考下

1、What and Why

原子的本意是不能被分割的粒子,而對于一個操作來說,如果它是不可被中斷的一個或者一組操作,那么他就是原子操作。顯然,原子操作是安全的,因?yàn)樗粫淮驍唷?/p>

平時我們見到的很多操作看起來是原子操作,但其實(shí)是非原子操作,例如很常見的i++操作,它背后有取值、加一、寫回等操作,如果有兩個線程都要對 i 進(jìn)行加一操作,就有可能結(jié)果把i只變成了2,這就是線程不安全的更新操作,當(dāng)然我們可以使用synchronized解決,但是JUC提供了java.util.concurrent.atomic包,這個包的原子操作類提供了一種簡單高效、線程安全地更新一個變量的方式。

2、原子更新基本類型類

使用原子的方式更新基本類型,Atomic包提供了以下3個類:

  • AtomicBoolean:原子更新布爾類型
  • AtomicInteger:原子更新整型
  • AtomicLong:原子更新長整型

上面三個類型的方法幾乎一模一樣,下面以AtomicInteger為例介紹以下他們的方法

  • int addAndGet(int data):以原子操作的方式將輸入data與AtomicInteger原有的值相加,并返回結(jié)果。
  • boolean compareAndSet(int expect, int update):如果輸入的數(shù)值等于預(yù)期值expect,則以原子操作的方式將update賦給AtomicInteger原有的值。
  • getAndIncrement():以原子操作的方式給AtomicInteger原有的值加一,但是注意這個方法返回的值是自增前的值。
  • int getAndSet(int newValue):以原子操作的方式給AtomicInteger原有的值設(shè)置成newValue的值
  • void lazySet(int newValue):最終會設(shè)置成newValue,但是使用lazyset設(shè)置之后,可能會導(dǎo)致其他線程在之后的一小段時間內(nèi)還可以讀到舊值。
class AtomicIntegerDemo{

    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {



        //新建一個線程池
        ExecutorService threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2,
                4,
                100,
                TimeUnit.MILLISECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10),
                Executors.defaultThreadFactory(),
                new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());

    // 新建一個線程
    threadPoolExecutor.execute(
        () -> {
          for (int i = 0; i < 10; i++) {
              atomicInteger.incrementAndGet();
          }

        });

        //新建一個線程
        threadPoolExecutor.execute(()->{
            for (int i = 0; i < 10; i++) {
                atomicInteger.incrementAndGet();
            }
        });

        System.out.println(atomicInteger.get());
        threadPoolExecutor.shutdown();
    }
}

3、實(shí)現(xiàn)原理

 public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }


其中,unsafe類是Java用來處理一些用于執(zhí)行低級別、不安全操作的方法,如直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存資源、自主管理內(nèi)存資源等,它使得Java擁有了類似C語言一樣操作內(nèi)存空間的能力。

valueOffset是字段value的內(nèi)存偏移地址,valueOffset的值在AtomicInteger初始化時,在靜態(tài)代碼塊中通過Unsafe的objectFieldOffset方法獲取。在AtomicInteger中提供的線程安全方法中,通過字段valueOffset的值可以定位到AtomicInteger對象中value的內(nèi)存地址,從而可以根據(jù)CAS實(shí)現(xiàn)對value字段的原子操作。

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }


打開getAndAddInt()函數(shù),可以看到這里使用了一個CAS機(jī)制的自旋鎖來對v值進(jìn)行賦值,關(guān)于CAS機(jī)制可以查看文章Java多線程 樂觀鎖和CAS機(jī)制
,getIntVolatile方法用于獲取對象o指定偏移量的int值,此操作具有volatile內(nèi)存語義,也就是說,即使對象o指定offset的變量不是volatile的,次操作也會使用volatile語義,會強(qiáng)制從主存獲取值,然后通過compareAndSwapInt來替換值,直到替換成功后,退出循環(huán)。

4、原子更新數(shù)組

使用原子的方式更新數(shù)組中的某個元素,Atomic包提供了以下3個類:

  • AtomicReferenceArray:原子更新引用類型數(shù)組中的元素
  • AtomicIntegerArray:原子更新整型數(shù)組中的元素
  • AtomicLongArray:原子更新長整型數(shù)組中的元素

下面以AtomicIntegerArray為例介紹以下他們的方法:

  1. int addAndGet(int i, int delta):以原子的方式將輸入值與數(shù)組中索引i的元素相加。
  2. boolean compareAndSet(int i, int expect, int update):如果當(dāng)前值等于預(yù)期值,則以原子方式將數(shù)組位置i的元素設(shè)置成update值

5、原子更新引用類型

剛剛提到的只能一次更新一個變量,如果要更新多個變量就需要使用原子更新引用類型提供的類了:

  • AtomicReference:原子更新引用類型
  • AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用類型里的字段
  • AtomicMarkableReference:原子更新帶有標(biāo)記位的引用類型。可以原子地更新一個布爾類型地標(biāo)記位和引用類型。

AtomicReference 示例

class User{
    private String name;
    public volatile int age;

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
}

class Reference
{
    static AtomicReference<User> atomicUser = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {

        User u = new User("1",10);
        atomicUser.set(u);
        System.out.println(atomicUser.get());
        atomicUser.compareAndSet(u,new User("2",15));
        System.out.println(atomicUser.get());
        System.out.println(atomicUser.compareAndSet(u, new User("3", 123)));
        System.out.println(atomicUser.compareAndSet(new User("2", 15), u));
    }
}

AtomicReferenceFieldUpdate

class AtomicFiled
{
    static AtomicReferenceFieldUpdater<User,String> nameField = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class,String.class,"name");

    public static void main(String[] args) {
        //
        User u = new User("123",10);
        System.out.println(u);

        System.out.println(nameField.compareAndSet(u, "123", "xiaohua"));
        System.out.println(u);
        System.out.println(nameField.compareAndSet(u,"123","xiaoli"));
    }
}

 

AtomicMarkableReference 示例

前面介紹的都是在原子操作下對一個數(shù)據(jù)進(jìn)行修改,AtomicMarkableReference 不同的是,它不僅可以修改,還定義了一個變量去判斷是他之前是否已經(jīng)被修改過了,這里就不得不提到ABA問題了:

ABA問題就是如果一個線程把變量a的值由1變成2,另一個線程又把變量a的值由2變回了1,這個時候變量a的值相當(dāng)于沒有變過,但實(shí)際上其實(shí)已經(jīng)被更改了,這就是ABA問題??梢耘e一個更形象的例子,杯子里有一杯水,小明把它喝完了,之后又接滿水放回原處,這時小華來了如果知道了杯子被人用過那肯定不會再喝了,如果小明喝完之后那張紙記錄下已經(jīng)用過,那么小華來了就知道了。AtomicMarkableReference就提供了這樣一個布爾變量記錄值是否被修改過。

AtomicMarkableReference初始化時需要傳入一個引用值(類型就是前面填的泛型),此外還需要傳入一個布爾值用作判斷是否修改。AtomicMarkableReferencecompareAndSet要傳入兩組參數(shù):舊的引用值和新的引用值;舊的布爾值和新的布爾值,只有傳入的舊引用值和舊布爾值與對象中的值相同,才會修改引用值和布爾值。

class AtomicFiled
{

    static AtomicMarkableReference<Integer> intMarkable = new AtomicMarkableReference<>(123,false);

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(intMarkable.getReference());
        System.out.println(intMarkable.isMarked());
        System.out.println(intMarkable.compareAndSet(123,100,false,true));
        System.out.println(intMarkable.getReference());
        System.out.println(intMarkable.isMarked());
        System.out.println(intMarkable.compareAndSet(100,123,false,true));

    }
}

6、原子更新字段類

如果需要原子地更新某個類中的字段時,就需要使用原子更新字段類,Atomic包提供了下面3個類:

  1. AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型的字段的更新器
  2. AtomicLongFieldUpdater:原子更新長整型的字段的更新器
  3. AtomicStampedReference:原子更新帶版本號的引用類型。使用版本號解決ABA問題

需要注意的是,原子地更新字段類需要兩步:第一步需要用靜態(tài)方法newUpdate()創(chuàng)建一個更新器,并且設(shè)置想要更新的類和屬性。第二步,更新類的字段(屬性)必須使用public volatile修飾符。

public class AtomicDemo {
    static AtomicReference<User> atomicUsers = new AtomicReference<>();
    static AtomicIntegerFieldUpdater<User> userAge = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
    static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);

  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

          User u = new User("123",0);
          atomicUsers.set(u);
          ExecutorService threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(3,
                  6,
                  100,
                  TimeUnit.MILLISECONDS,
                  new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10),
                  Executors.defaultThreadFactory(),
                  new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
          threadPoolExecutor.execute(()->
          {

              try {
                  TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
              } catch (InterruptedException e) {
                  e.printStackTrace();
              }
              System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+atomicUsers.get().getAge());
              userAge.incrementAndGet(u);
             countDownLatch.countDown();
          });

          threadPoolExecutor.shutdown();
          countDownLatch.await();
          System.out.println(atomicUsers.get().getAge());
  }
}

到此這篇關(guān)于Java多線程 原子操作類詳細(xì)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程 原子操作類內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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