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多线程(十五) -- 无锁(二) -- atomic相关原子类1. 前言2. 原子整数3.原子引用4. 原子数组5.字段更新器6.原子累加器

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我是靠谱客的博主 能干马里奥，这篇文章主要介绍多线程(十五) -- 无锁(二) -- atomic相关原子类1. 前言2. 原子整数3.原子引用4. 原子数组5.字段更新器6.原子累加器，现在分享给大家，希望可以做个参考。

1. 前言

java.util.concurrent.atomic并发包提供了一些并发工具类，这里把它分成五类：

  1. 使用原子的方式更新基本类型
    1. AtomicInteger：整型原子类
    2. AtomicLong：长整型原子类
    3. AtomicBoolean ：布尔型原子类
  2. 原子引用
  3. 原子数组
  4. 字段更新器
  5. 原子累加器

2. 原子整数

以 AtomicInteger 为例讨论它的api接口：通过观察源码可以发现，AtomicInteger 内部都是通过cas的原理来实现的！

2.1 相关api：

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public static void main(String[] args) {
    AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
    // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
    System.out.println(i.getAndIncrement());
    // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
    System.out.println(i.incrementAndGet());
    // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
    System.out.println(i.decrementAndGet());
    // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
    System.out.println(i.getAndDecrement());
    // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
    System.out.println(i.getAndAdd(5));
    // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
    System.out.println(i.addAndGet(-5));
    // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
    // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
    // 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
    // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
    System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
    // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1值, 结果 i = 0, 返回 0）
    // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
    System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
}

2.2 AtomicInteger源码：

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public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    /*
     * This class intended to be implemented using VarHandles, but there
     * are unresolved cyclic startup dependencies.
     */
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe U = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
    private static final long VALUE = U.objectFieldOffset(AtomicInteger.class, "value");

    private volatile int value;

Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门：Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。通过它来调用一些native方法。

VALUE 为变量值在内存中的偏移地址，unsafe就是通过偏移地址来得到数据的原值的。

value当前值，使用volatile修饰，保证多线程环境下看见的是同一个。

我们就以AtomicInteger的addAndGet()方法来做说明，看源代码：

2.3 addAndGet源码：

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public final int addAndGet(int delta) {
    return U.getAndAddInt(this, VALUE, delta) + delta;
}

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    // 自旋锁，直到能够更换为止
    do {
    	// 获取内存地址中的值
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}
// 如果内存地址中的值offset和我传过来的值还是一样的
// 就将当前内存中的值赋为x
public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,
                                          int expected,
                                          int x) {
    return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);
}

// 四个参数，分别代表：对象、对象的地址、预期值、修改值
public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,
                                             int expected,
                                             int x);

3.原子引用

为什么需要原子引用类型？保证引用类型的共享变量是线程安全的（确保这个原子引用没有引用过别人）。

基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用引用类型原子类。

  • AtomicReference：引用类型原子类
  • AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。
  • AtomicMarkableReference ：原子更新带有标记的引用类型。该类将 boolean 标记与引用关联起来，也可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

使用原子引用实现BigDecimal存取款的线程安全
下面这个是不安全的实现过程：

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class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
    BigDecimal balance;
    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
        this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}

解决代码如下：在AtomicReference类中，存在一个value类型的变量，保存对BigDecimal对象的引用。

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class DecimalAccountCas implements DecimalAccount{

    //private BigDecimal balance;
    private AtomicReference<BigDecimal> balance ;

    public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while(true){
            BigDecimal pre = balance.get();
            // 注意：这里的balance返回的是一个新的对象，即 pre!=next
            BigDecimal next = pre.subtract(amount);
            if (balance.compareAndSet(pre,next)){
                break;
            }
        }
    }
}

3.1 ABA问题：

如下程序所示，虽然在other方法中存在两个线程对共享变量进行了修改，但是修改之后又变成了原值，main线程中对此是不可见得，这种操作对业务代码并无影响：

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static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("main start");
    // 获取值A
    String prev = ref.get();
    other();
    Thread.sleep(1000);
    log.debug("A -> C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
}

private static void other() throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
        log.debug("A -> B {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
    }, "t1").start();
    Thread.sleep(500);
    new Thread(() -> {
    	// 注意：如果这里使用  log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), new String("A")));
        // 那么此实验中的 log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
        // 打印的就是false， 因为new String("A") 返回的对象的引用和"A"返回的对象的引用是不同的！
        log.debug("B -> A {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
    }, "t2").start();
}

结果：

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13:49:06.903 [main] DEBUG aba - main start
13:49:06.909 [t1] DEBUG aba - A -> B true
13:49:07.415 [t2] DEBUG aba - B -> A true
13:49:08.425 [main] DEBUG aba - A -> C true

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，如果主线程希望：只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号。使用AtomicStampedReference来解决。

3.2 ABA问题解决：AtomicStampedReference

Java提供了AtomicStampedReference来解决。AtomicStampedReference通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题。

AtomicStampedReference的compareAndSet()方法定义如下：

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public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
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                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

compareAndSet有四个参数，分别表示：预期引用、更新后的引用、预期标志、更新后的标志。
如果更新后的引用和标志和当前的引用和标志相等则直接返回true，否则通过Pair生成一个新的pair对象与当前pair CAS替换。Pair为AtomicStampedReference的内部类，主要用于记录引用和版本戳信息（标识），定义如下：

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private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
        this.reference = reference;
        this.stamp = stamp;
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
        return new Pair<T>(reference, stamp);
    }
}

private volatile Pair<V> pair;

Pair记录着对象的引用和版本戳，版本戳为int型，保持自增。同时Pair是一个不可变对象，其所有属性全部定义为final，对外提供一个of方法，该方法返回一个新建的Pari对象。pair对象定义为volatile，保证多线程环境下的可见性。在AtomicStampedReference中，大多方法都是通过调用Pair的of方法来产生一个新的Pair对象，然后赋值给变量pair。如set方法：

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public void set(V newReference, int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    if (newReference != current.reference || newStamp != current.stamp)
        this.pair = Pair.of(newReference, newStamp);
}
3.2.1 使用AtomicStampedReference解决aba问题：
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static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A",0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("main start...");
    // 获取值 A
    int stamp = ref.getStamp();
    log.info("main stamp:{}",stamp);
    String prev = ref.getReference();
    other();
    Thread.sleep(1000);
    // 尝试改为 C
    log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C",stamp,stamp+1));
}

private static void other() throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
        int stamp = ref.getStamp();
        log.info("t1 stamp:{}",stamp);
        log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",stamp,stamp+1));
    }, "t1").start();
    Thread.sleep(500);
    new Thread(() -> {
        int stamp = ref.getStamp();
        log.info("t2 stamp:{}",stamp);
        log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",stamp,stamp+1));
    }, "t2").start();
}

结果：

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14:13:48.082 [main] DEBUG aba - main start...
14:13:48.086 [main] INFO aba - main stamp:0
14:13:48.089 [t1] INFO aba - t1 stamp:0
14:13:48.090 [t1] DEBUG aba - change A->B true
14:13:48.603 [t2] INFO aba - t2 stamp:1
14:13:48.603 [t2] DEBUG aba - change B->A true
14:13:49.617 [main] DEBUG aba - change A->C false
3.2.3 compare比较的是地址：

同时，从上面compareAndSet的源码我们看到compare比较的比较方式都是用的双等号，即比较的是引用的地址，如果是使用Integer类型，1000==1000的判断是false， 对于其他的对象，只有同一个new出来的对象才是相等的。
代码示例：

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static AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(200,0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    log.debug("main start...");
    // 获取值 A
    int stamp = ref.getStamp();
    log.info("main stamp:{}",stamp);
    Integer prev = ref.getReference();
    other();
    Thread.sleep(1000);
    // 尝试改为 C
    log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, 400,stamp,stamp+1));
}

private static void other() throws InterruptedException {
    new Thread(() -> {
        int stamp = ref.getStamp();
        log.info("t1 stamp:{}",stamp);
        log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(200, 300,stamp,stamp+1));
    }, "t1").start();
    Thread.sleep(500);
    new Thread(() -> {
        int stamp = ref.getStamp();
        log.info("t2 stamp:{}",stamp);
        log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(300, 200,stamp,stamp+1));
    }, "t2").start();
}

在这里插入图片描述
解决方式：

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// 比较时获取，或者值小于128
log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), 300,stamp,stamp+1));

3.3 AtomicMarkableReference

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如：A -> B -> A ->C，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference
源码：

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public boolean compareAndSet(V       expectedReference,
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                                 boolean expectedMark,
                                 boolean newMark) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedMark == current.mark &&
            ((newReference == current.reference &&
              newMark == current.mark) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newMark)));
    }

通过AtomicMarkableReference的源码我们可以看到，他的标识是布尔类型的，也就是说，我们不需要关心更新了几次，我们只关心有没有更新。

4. 原子数组

使用原子的方式更新数组里的某个元素，主要包含三个：

  • AtomicIntegerArray
  • AtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray

关于函数式编程请看：四大函数式接口

代码演示：
创建一个长度为10的数组，然后创建10个线程，每个线程循环10000次，分别对数组下标0~9的元素自行自增操作，最后查看数组

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public class TestAtomicArray {
    public static void main(String[] args) {
        TestAtomicArray.demo(
                ()->new AtomicIntegerArray(10),
                (array)-> array.length(),
                (array,index)-> array.getAndIncrement(index),
                (array)->System.out.println(array)
        );

        TestAtomicArray.demo(
                ()->new int[10],
                (array)-> array.length,
                (array,index)-> array[index]++,
                (array)->System.out.println(Arrays.toString(array))
        );
    }

    /**
     参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     参数2，获取数组长度的方法
     参数3，自增方法，传 array, index两个参数   array为数组，index为数组元素每次自增的元素的下标
     参数4，打印数组的方法
     */
    // supplier 提供者 无中生有 ()->结果
    // function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
    // consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->
    public static <T> void demo(
            Supplier<T> arraySupplier,
            Function<T,Integer> lengthFun,
            BiConsumer<T,Integer> putConsumer,
            Consumer<T> printConsumer){
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        Integer length = lengthFun.apply(array);
        for (int i = 0;i<length;i++){
            ts.add(new Thread(()->{
                for (int j=0;j<10000;j++){
                    putConsumer.accept(array,j%length);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(t->t.start());
        ts.forEach(t->{
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        printConsumer.accept(array);
    }
}

结果：

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[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]
[6857, 6840, 6815, 6802, 6825, 6847, 6845, 6850, 6824, 6768]

可以看到使用atomic初始化的数组，正确地输出了结果

5.字段更新器

使用原子的方式更新对象中的属性，主要包括三个类：

  • AtomicReferenceFieldUpdater
  • AtomicIntegerFieldUpdater // 字段类型是integer
  • AtomicLongFieldUpdater // 字段类型是long

注意，属性必须用volatile来修饰

字段更新器使用：

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public class TestAtomicField {
    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        AtomicReferenceFieldUpdater u = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
        System.out.println(u.compareAndSet(student, null, "张三"));
    }
}

@Data
class Student {
    // 注意需要用volatile修饰保证可见性
    volatile String name;
}

结果：

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true

6.原子累加器

顾名思义，原子累加器，就是对数字进行累加操作；
在jdk8之后，jdk专门给我们新增了几个用于累加的类：
在这里插入图片描述
代码展示：

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public static void main(String[] args) {
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        demo(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
    }
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
        demo(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
    }

}

private static <T> void demo(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
    T adder = adderSupplier.get();
    long start = System.nanoTime();
    List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    // 4个线程，每人累加 50 万
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        ts.add(new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                action.accept(adder);
            }
        }));
    }
    ts.forEach(t -> t.start());
    ts.forEach(t -> {
        try {
            t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    });
    long end = System.nanoTime();
    System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
}

结果：

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20000000 cost:91
20000000 cost:72
20000000 cost:43
20000000 cost:45
20000000 cost:51
20000000 cost:558
20000000 cost:551
20000000 cost:579
20000000 cost:514
20000000 cost:503

可以看出，LongAdder的效率几乎是十倍于AtomicInteger的自增方法。

性能提升的原因很简单，就是在有竞争时，设置多个累加单元(但不会超过cpu的核心数)，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]，Thread-2累加Cell[0]… 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。

最后

以上就是能干马里奥最近收集整理的关于多线程(十五) -- 无锁(二) -- atomic相关原子类1. 前言2. 原子整数3.原子引用4. 原子数组5.字段更新器6.原子累加器的全部内容，更多相关多线程(十五)内容请搜索靠谱客的其他文章。

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