Java并发基础：原子类之AtomicMarkableReference全面解析 - 程序员古德

内容概要

AtomicMarkableReference类能够确保引用和布尔标记的原子性更新，有效避免了多线程环境下的竞态条件，其提供的方法可以轻松地实现基于条件的原子性操作，提高了程序的并发安全性和可靠性。

核心概念

场景举例

AtomicMarkableReference 类将一个布尔标记与一个引用关联起来，可以原子性地更新这对值，因此在多线程环境中，可以确保标记和引用的更新是作为一个不可分割的操作发生的，不会出现中间状态被其他线程观察到的情况。

模拟一个业务场景，假如，有一个在线购物平台，其中有一个非常重要的业务是库存管理，在这个系统中，每个商品都有一个库存数量，当库存数量为零时，商品就不能再被购买了，但是，由于系统是高并发的，可能会有多个线程（可能是多个用户同时发起购买请求）同时尝试减少同一个商品的库存。

在这种情况下，可以使用AtomicMarkableReference来解决这个问题，可以将库存数量封装在一个对象中，并使用 AtomicMarkableReference 来引用这个对象，标记位可以用来表示这个库存数量是否已经被其他线程“锁定”以减少。

当一个线程尝试减少库存时，它首先会检查标记位，如果标记位表示库存没有被锁定，那么该线程会尝试原子性地设置标记位为“锁定”状态，并获取当前的库存数量，如果成功，该线程就可以安全地减少库存，而不用担心其他线程同时修改它，减少库存后，该线程会原子性地清除标记位，表示库存现在可以被其他线程锁定和修改了。

如果在尝试锁定库存时失败（因为其他线程已经锁定了它），那么该线程可以选择重试、等待或者返回一个错误消息给用户，通过使用 AtomicMarkableReference，可以确保在高并发环境下库存数量的正确性和一致性，避免出现超卖的情况。

其它场景

AtomicMarkableReference 类主要用于解决在并发环境下的数据一致性问题，特别是当需要原子性地更新一个引用及其关联的状态（通常由一个布尔标记表示），通常可以用来解决以下类似的问题：

  1. 无锁数据结构：在实现无锁（lock-free）或基于乐观锁（optimistic locking）的数据结构时，AtomicMarkableReference 可以用来原子性地更新节点的引用和状态。
  2. 状态跟踪：当需要跟踪某个对象的状态时，可以使用 AtomicMarkableReference。例如，可能有一个对象需要在多个线程之间共享，并且需要知道这个对象是否已经被处理过，通过将对象和一个标记（表示处理状态）存储在 AtomicMarkableReference 中，可以确保在检查和处理对象时操作的原子性。
  3. 缓存一致性：在构建缓存系统时，AtomicMarkableReference 可以用来确保缓存条目的原子性更新，例如，当缓存条目需要被无效或更新时，可以使用标记来表示条目的有效性，并使用 AtomicMarkableReference 来原子性地更新条目和标记。
  4. 避免ABA问题：在使用基于比较并交换（Compare-and-Swap, CAS）操作的原子类时，可能会遇到所谓的ABA问题，这是指一个变量原来的值是A，被另一个线程改成B后又改回A，那么使用CAS检查这个变量的线程就会发现它的值没有发生变化，而实际上它已经被其他线程修改过了。AtomicMarkableReference 通过引入一个额外的标记位来避免这个问题，因为即使引用的值没有变化，标记位的变化也可以被用来检测中间的状态变化。

核心案例

下面是一个简单的Java代码，演示了如何使用 AtomicMarkableReference 类：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;  
  
public class AtomicMarkableReferenceDemo {  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建一个 AtomicMarkableReference 实例，初始值为 "Hello" 和标记 false  
        AtomicMarkableReference<String> atomicRef = new AtomicMarkableReference<>("Hello", false);  
  
        // 客户端调用：尝试更新引用和标记  
        boolean updated = atomicRef.compareAndSet("Hello", "World", false, true);  
        System.out.println("Updated: " + updated); // 输出：Updated: true  
  
        // 获取当前值和标记  
        String currentValue = atomicRef.getReference();  
        boolean currentMark = atomicRef.isMarked();  
        System.out.println("Current Value: " + currentValue + ", Mark: " + currentMark); // 输出：Current Value: World, Mark: true  
  
        // 尝试基于旧值和旧标记更新，但这次会失败，因为当前值或标记与预期的不匹配  
        updated = atomicRef.compareAndSet("Hello", "Java", false, false);  
        System.out.println("Updated: " + updated); // 输出：Updated: false  
  
        // 再次获取当前值和标记，以确认没有变化  
        currentValue = atomicRef.getReference();  
        currentMark = atomicRef.isMarked();  
        System.out.println("Current Value: " + currentValue + ", Mark: " + currentMark); // 输出：Current Value: World, Mark: true  
    }  
}

在上面代码中，先创建了一个 AtomicMarkableReference 实例，初始值为字符串 "Hello" 和标记 false，使用 compareAndSet 方法尝试原子地更新这个引用和标记，如果当前值等于 "Hello" 且标记为 false，则更新为 "World" 和 true，这个方法返回一个布尔值，表示是否成功更新了引用和标记，

之后，再次使用 compareAndSet 方法尝试基于不同的旧值和旧标记进行更新，但这次更新会失败，因为当前的值或标记与预期的不匹配，最后，，再次获取并打印当前的值和标记，以确认它们没有因为失败的 compareAndSet 调用而改变。

技术原理

实现原理

AtomicMarkableReference的实现原理主要依赖于底层的硬件支持，特别是原子性的比较并交换（Compare-and-Swap, CAS）操作。CAS操作是一种无锁算法，它允许多个线程在没有使用锁的情况下安全地操作共享数据。

在AtomicMarkableReference中，CAS操作被用来确保引用和标记的同时更新是原子的，具体来说，AtomicMarkableReference内部维护了两个字段：一个是引用的对象，另一个是一个布尔标记，这两个字段的更新都是原子性的，这是通过CAS操作来实现的。

但是，AtomicMarkableReference并没有使用一个单一的CAS操作来同时更新引用和标记，实际上，它使用了两个分离的CAS操作，并且这两个操作之间需要通过某种方式来确保原子性，这通常是通过在内部使用一个循环来实现的，循环会一直进行，直到引用和标记都成功更新，或者确定更新不可能成功为止。

为了确保原子性，AtomicMarkableReference采用了一种称为“双CAS”或“双重检查锁定”的技术，这种技术涉及到两个步骤：首先检查引用和标记的当前值是否与期望值匹配，如果匹配，则执行CAS操作来尝试更新它们，如果在这个过程中，任何一个值发生了变化（由于其他线程的并发修改），那么更新就会失败，需要重新尝试。

底层算法

底层算法的核心是两个CAS操作：一个用于更新引用，另一个用于更新标记，这两个操作都需要满足一定的条件才能成功。当尝试更新引用时，需要确保当前的标记值与期望的标记值相匹配；同样地，当尝试更新标记时，也需要确保当前的引用值与期望的引用值相匹配。

但是，这两个CAS操作并不是完全独立的，它们以一种方式组合在一起，以确保在引用和标记的更新之间不会发生其他线程的干扰，这通常是通过在内部使用一个循环来实现的，该循环会一直尝试更新引用和标记，直到成功为止或者确定无法成功为止（例如，由于其他线程的并发修改导致条件不再满足）。

总结：AtomicMarkableReference类通过利用底层的CAS操作以及一种称为“双CAS”或“双重检查锁定”的技术来实现在并发环境中对引用和标记的原子性更新。但是需要注意的，并不是所有的方法都是原子的（例如set方法），在使用时需要特别小心以确保线程安全。

核心API

以下是 AtomicMarkableReference 类中主要方法的含义：

  1. AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)
    • 构造函数，用于创建一个新的 AtomicMarkableReference 实例，设置初始引用值和标记。
  2. V getReference()
    • 获取当前引用的对象。
  3. boolean isMarked()
    • 获取当前标记的值。
  4. void set(V newReference, boolean newMark)
    • 设置新的引用值和标记，注意，这个方法不是原子的；它首先设置引用，然后设置标记，如果需要原子性，应使用 compareAndSet 方法。
  5. boolean weakCompareAndSet(V expectReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark)
    • 以原子方式设置引用和标记的值，但允许更大的并发性，如果当前引用等于 expectReference 且当前标记等于 expectedMark，则更新为 newReference 和 newMark，此方法可能更频繁地失败，并需要循环重试，但它对系统其他部分的干扰更小。
  6. boolean compareAndSet(V expectReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark)
    • 以原子方式设置引用和标记的值，如果当前引用等于 expectReference 且当前标记等于 expectedMark，则更新为 newReference 和 newMark，此方法提供了强一致性保证。
  7. boolean attemptMark(V expectedReference, boolean newMark)
    • 如果当前引用等于 expectedReference，则以原子方式设置标记为 newMark。

这些方法提供了对带有标记的引用的原子操作，可以在多线程环境中安全地使用，compareAndSet 方法是此类中最常用的方法之一，因为它提供了一种以线程安全方式更新引用的方法，只有当引用和标记的当前值与预期值匹配时才会进行更新。

注意： set 方法可以设置新的引用和标记，但它并不提供原子性保证，如果需要在设置引用和标记时保持原子性，应该使用 compareAndSet 或 weakCompareAndSet 方法。

核心总结

Java并发基础：原子类之AtomicMarkableReference全面解析 - 程序员古德

AtomicMarkableReference类结合了原子引用和一个布尔标记，为并发编程带来了便利，优点在于，它能在多线程环境下保证引用和标记的原子性更新，有效避免了竞态条件，提高了程序的并发安全性，它的使用相对简单直观，通过compareAndSet等方法可以很容易地实现基于旧值的条件更新。

单相比于普通的原子引用，它占用的空间更多，因为它需要额外存储一个标记，在高并发场景下，由于需要同时更新引用和标记，可能会带来一定的性能开销。

当需要在并发环境中维护一个引用，并且需要根据某个条件（由标记表示）来原子地更新该引用时，推荐使用AtomicMarkableReference，但在对性能要求极高或对内存占用敏感的场景中，可能需要权衡其带来的开销和收益，考虑使用其他同步机制或数据结构。

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