Java并发 (二) - 原子类
文章目录
- Java并发 (二) - 原子类
- 0.原子类简介
- 1.原子更新基本类型
- 2.原子更新引用类型：
- 3.原子更新属性
- 4.原子更新引用类型
- 5.Striped64 _ 常问
- 6.原子操作三大问题
- 6.1ABA问题
- 6.2循环时间开销大
- 6.3只能保证一个变量的原子性操作
0.原子类简介
Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下简称Atomic包），这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。 因为变量的类型有很多种，所以在Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性（字段）。
Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。Unsafe提供了三个CAS方法
CAS是英文单词Compare and Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。
更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。
这些参数依次指代：对象、成员变量、期望的值、更新的值
原子操作类就是保证了操作的原子性。比如i++操作不是原子性的，使用Atomic类中的方法可以保证原子性，实现线程安全。
1.原子更新基本类型
使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。
- AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
- AtomicInteger：原子更新整型。
- AtomicLong：原子更新长整型。
以上3个类提供的方法几乎一模一样以AtomicInteger为例进行讲解， AtomicInteger的常用方法如下：
- int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的 value）相加，并返回结果。
/**
*以原子方式将给定值添加到当前值。
*参数:要增加的价值
*返回:更新后的值
*/
public final int addAndGet(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}- boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。
/**
*如果当前值==期望值，则自动将该值设置为给定的更新值。
*参数:
*期望值-期望值
*更新—新值
*返回:如果成功。False返回表示实际值不等于预期值。
*/
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}- int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
/**
*以原子方式递增当前值一。
*返回:前一个值
*/
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}- void lazySet（int newValue）：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
/**
*最终设置为给定的值。
* @param newValue新值
*/
public final void lazySet(int newValue) {
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
}- int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
/**
*自动设置为给定值并返回旧值。
*参数:newValue -新值
*返回:前一个值
*/
public final int getAndSet(int newValue) {
return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}Atomic包提供了3种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char、float和double 等。
那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢？
Atomic包里的类基本都是使用Unsafe 实现的，让我们一起看一下Unsafe的源码，如代码清单7-3所示。
/**
* 如果当前数值是expected，则原子的将Java变量更新成x
* @return 如果更新成功则返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o,
long offset,
Object expected,
Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,
long expected,
long x);通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现它是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现
2.原子更新引用类型：
通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下4个:
- AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素。
- AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素。 A
- tomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。
AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下:
- int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
/**
*将给定的值原子地添加到索引i处的元素。
*i索引
*delta要添加的值
*返回-更新的值
*/
public final int addAndGet(int i, int delta) {
return getAndAdd(i, delta) + delta;
}- boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。
以上几个类提供的方法几乎一样，以AtomicIntegerArray为例进行讲解
public class AtomicIntegerArrayTest {
static int[] value = new int[] { 1， 2 };
static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
public static void main(String[] args) {
ai.getAndSet(0， 3);
System.out.println(ai.get(0));
System.out.println(value[0]);
}
}3
1需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。
3.原子更新属性
果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供以下3个类进行原子字段更新：
- AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。
- AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
- 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。
要想原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。
第二步，更新类的字段（属性)必须使用public volatile修饰符。 以上3个类提供的方法几乎一样，仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解
4.原子更新引用类型
原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。
- AtomicReference：原子更新引用类型。
- AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段。
- AtomicMarkableReference/AtomicStampedReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，boolean initialMark）。
5.Striped64 _ 常问
高性能原子类，是java8中增加的原子类，它们使用分段的思想，把不同的线程hash到不同的段上去更新，最后再把这些段的值相加得到最终的值，这些类主要有：
- LongAccumulator, long类型的聚合器，需要传入一个long类型的二元操作，可以用来计算各种聚合操作，包括加乘等。
- LongAdder, long类型的累加器，LongAccumulator的特例，只能用来计算加法，且从0开始计算。
- DoubleAccumulator ,double类型的聚合器，需要传入一个double类型的二元操作，可以用来计算各种聚合操作，包括加乘等。
- DoubleAdder, double类型的累加器，DoubleAccumulator的特例，只能用来计算加法，且从0开始计算。
Atomic、Adder在低并发环境下，两者性能很相似。但在高并发环境下，Adder 有着明显更高的吞吐量，但是有着更高的空间复杂度。
LongAdder其实是LongAccumulator的一个特例，调用LongAdder相当使用下面的方式调用LongAccumulator。
public void add(long x) {
Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
boolean uncontended = true;
if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
(a = as[getProbe() & m]) == null ||
!(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
longAccumulate(x, null, uncontended);
}
}sum() 方法在没有并发的情况下调用，如果在并发情况下使用会存在计数不准。
public long sum() {
Cell[] as = cells; Cell a;
long sum = base;
if (as != null) {
for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
if ((a = as[i]) != null)
sum += a.value;
}
}
return sum;
}LongAdder不可以代替AtomicLong ，虽然 LongAdder 的 add() 方法可以原子性操作，但是并没有使用 Unsafe 的CAS算法，只是使用了CAS的思想。
LongAdder其实是LongAccumulator的一个特例，调用LongAdder相当使用下面的方式调用。LongAccumulator，LongAccumulator提供了比LongAdder更强大的功能，构造函数其中accumulatorFunction一个双目运算器接口，根据输入的两个参数返回一个计算值，identity则是LongAccumulator累加器的初始值。
6.原子操作三大问题
6.1ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如没有发生变化则更新，但是如果原来的一个值是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查的时候，会发现他的值没有发生变化，但是实际上却发生了变化。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就变成了1A->2B->3A。在Java1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部等于，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
6.2循环时间开销大
CAS通常要伴随着自旋,而自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销，可以先自旋几圈,如果依然拿不到就进行synchronized阻塞,一这样的方式来降低自旋的开销。
6.3只能保证一个变量的原子性操作
K的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部等于，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
