Java多線程 原子操作類詳細(xì)
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:
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。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。AtomicMarkableReference
的compareAndSet
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:
- AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型的字段的更新器
- AtomicLongFieldUpdater:原子更新長整型的字段的更新器
- 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()); } }
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