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一文讀懂 Java 中的原子類

jas0n / 1136人閱讀

摘要:一無鎖方案并發包中的原子類都是基于無鎖方案實現的,相較于傳統的互斥鎖,無鎖并沒有加鎖解鎖線程切換的消耗,因此無鎖解決方案的性能更好,同時無鎖還能夠保證線程安全。線程首先讀取的值并加,如果此時有另一個線程更新了,則期望值和不相等,更新失敗。

一、無鎖方案

Java 并發包中的原子類都是基于無鎖方案實現的,相較于傳統的互斥鎖,無鎖并沒有加鎖、解鎖、線程切換的消耗,因此無鎖解決方案的性能更好,同時無鎖還能夠保證線程安全。

1. 無鎖方案的實現原理

無鎖主要依賴 CAS(Compare And Swap) ,即比較并交換,CAS 是一條 CPU 指令,其本身是能夠保證原子性的。CAS 中有三個參數:

共享變量的內存地址 A

用于比較的值 B

共享變量的新值 C

public class SimpleCAS {

    private int value;

    public synchronized int cas(int expectVal, int newVal){
        int curVal = value;
        if (expectVal == curVal){
            value = newVal;
        }
        return curVal;
    }
}

上面的代碼展示了 CAS 的簡單實現,從內存中讀出當前 value 的值,并且需要判斷,期望值 expectVal == curVal 的時候,才會將 value 更新為新值。

仍然以上面的代碼,來實現一個簡單的,基于 CAS 的線程安全的 value+1 方法。這里的 cas 方法僅用于幫助理解,所以執行結果可能有出入。

public class SimpleCAS {

    private volatile int value;

    public void addValue(){
        int newVal = value + 1;
        while (value != cas(value, newVal)){
            newVal = value + 1;
        }
    }
    
    private synchronized int cas(int expectVal, int newVal){
        int curVal = value;
        if (expectVal == curVal){
            value = newVal;
        }
        return curVal;
    }
}

線程首先讀取 value 的值并加 1,如果此時有另一個線程更新了 value,則期望值和 value 不相等,更新失敗。更新失敗后,循環嘗試,重新讀取 value 的值,直到更新成功退出循環。

2. ABA 問題

無鎖的實現方案中需要注意的一個問題便是 ABA 問題。

例如上面的代碼,value 的初始值為 0,線程 t1 取到了 value 的值,并將其更新為 1,然后線程又將 value 更新為 0。

假如這個過程中有另外一個線程 t2,和 t1 同時取初始值為 0 的 value,t2 在 t1 執行完后更新 value,這個時候 value 雖然還是為 0,但已經被 t1 修改過了。

大多數情況下,我們并不需要關心 ABA 問題,例如數值型數據的加減,但是對象類型的數據遇到了 ABA 問題的話,可能前后的屬性已經發生了變化,所以需要解決。

解決的辦法也很簡單,給對象類型的數據加上一個版本號即可,每更新一次,版本號加 1,這樣即使對象數據從 A 變成 B 后 又變成 A,但是版本號是遞增的,就可以分辨出對象還是被修改過的。

二、原子類 1. 原子化基本數據類型

有三個實現類:AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong

常用的方法如下,以 AtomicInteger 為例,其他的類似:

AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

i.getAndSet(int newValue);//獲取當前值并設置新值

i.getAndIncrement();//相當于 i ++
i.incrementAndGet();//相當于 ++ i

i.getAndDecrement();//相當于 i --
i.decrementAndGet();//相當于 -- i

i.addAndGet(int delta);//相當于 i + delta,并返回添加后的值
i.getAndAdd(int delta);//相當于 i + delta,并返回添加前的值

i.compareAndSet(int expect, int update);//CAS 操作,返回 boolean值,表示是否更新成功

i.getAndUpdate(update -> 10);//通過函數更新值
i.updateAndGet(update -> 10);//類似上面
2. 原子化對象引用類型

實現類分別是:AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference,其中后兩個可以實現了解決 ABA 問題的方案。

AtomicReference 常用的方法如下:

//假設有一個叫做 Order 的類
AtomicReference orderReference = new AtomicReference<>();

orderReference.getAndSet(Order newValue);//獲取并設置

orderReference.set(Order order);//設置值
Order order1 = orderReference.get();//獲取對象

orderReference.compareAndSet(Order expect, Order update);//比較交換

orderReference.getAndUpdate();//通過函數更新值
orderReference.updateAndGet();

AtomicStampedReference 需要傳入初始值和初始 stamp,其中 stamp 相當于對象的版本號(用來解決 ABA 問題),使用示例如下:

AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>("roseduan", 0);

//嘗試修改stamp的值
boolean b = reference.attemptStamp(reference.getReference(), 10);

//獲取值
String str = reference.getReference();

//獲取stamp
int stamp = reference.getStamp();

//重新設置值和stamp
reference.set("I am not roseduan", 20);

//比較交換
boolean b1 = reference.compareAndSet("roseduan", "jack", 20, 0);

AtomicMarkableReference 使用一個 mark 標記(boolean 類型) 代替了 AtomicStampedReference 中的 stamp,用這種更簡單的方式來解決 ABA 問題。使用的方式和上面的類似,只是將方法中的 stamp 變為 boolean 類型的值即可。

3. 原子化數組類型

實現類有三個:

AtomicIntegerArray:原子化的整型數組

AtomicLongArray:原子化長整型數組

AtomicReferenceArray:原子化對象引用數組

使用和原子化基本類型都是差不多的,只是需要在方法中加上數組下標即可。

4. 原子化對象屬性更新器

也有三個實現類:

AtomicIntegerFieldUpdater:更新對象的整型屬性

AtomicLongFieldUpdater:更新對象的長整型屬性

AtomicReferenceFieldUpdater:更新對象的引用型屬性

這三個類都是利用 Java 的反射機制實現的,并且為了保證原子性,要求被更新的對象的屬性必須是 volatile 類型的。使用示例如下:

@Data
@Builder
public class User {

    private volatile int age;

    private volatile long number;

    private volatile String name;

    public static void main(String[] args) {
        User user = User.builder().age(22).number(15553663L).name("roseduan").build();

        //更新age屬性的值
        AtomicIntegerFieldUpdater integerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
        integerFieldUpdater.set(user, 25);

        //更新number屬性的值
        AtomicLongFieldUpdater longFieldUpdater = AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(User.class, "number");
        longFieldUpdater.set(user, 1000101L);

        //更新對象類型的屬性的值
        AtomicReferenceFieldUpdater referenceFieldUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class, String.class, "name");
        referenceFieldUpdater.set(user, "I am not roseduan");

        System.out.println(user.toString());
    }
}

程序中創建了一個 User 類,有三個屬性 age、number、name 分別對應整型、長整型、引用類型。然后使用對象屬性更新器進行屬性值的更新,更新器的其他方法的使用和前面說到的幾種原子化類型類似。

5. 原子化累加器

實現類有四個:

DoubleAdder

DoubleAccumulator

LongAdder

LongAccumulator

這幾個類的功能有限,僅用來執行累加操作,但是速度非??臁O旅娼榻B DoubleAdder 和 DoubleAccumulator 的用法,其余兩個類似。

//DoubleAccumulator使用示例
DoubleAccumulator a = new DoubleAccumulator(Double::sum, 0);//設初始值為0
//累加
a.accumulate(1);
a.accumulate(2);
a.accumulate(3);
a.accumulate(4);

System.out.println(a.get());//輸出10

//DoubleAdder使用示例
DoubleAdder adder = new DoubleAdder();
adder.add(1);
adder.add(2);
adder.add(3);
adder.add(4);
adder.add(5);

System.out.println(adder.intValue());//輸出15

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