java.util.concurrent.atomic.AtomicReference 类的设计可以保证用线程安全的方式更新变量。为什么需要 AtomicReference？为什么不用 volatile 变量达成目标？如何正确地使用 AtomicReference？
为什么要用 AtomicReference？
我正在开发一个工具软件，需要检测某个对象是否被多个线程调用。为此我用到了以下的不可变类：
public class State {
private final Thread thread;
private final boolean accessedByMultipleThreads;
public State(Thread thread, boolean accessedByMultipleThreads) {
super();
this.thread = thread;
this.accessedByMultipleThreads = accessedByMultipleThreads;
}
public State() {
super();
this.thread = null;
this.accessedByMultipleThreads = false;
}
public State update() {
if(accessedByMultipleThreads) {
return this;
}
if( thread == null ) {
return new State(Thread.currentThread()
, accessedByMultipleThreads);
}
if(thread != Thread.currentThread()) {
return new State(null,true);
}
return this;
}
public boolean isAccessedByMultipleThreads() {
return accessedByMultipleThreads;
}
}第2行，thread 变量中存放了访问对象的第一个线程。第23行，当有其它线程访问该对象时，把 accessedByMultipleThreads 变量设为 true，并把 thread 变量置为 null。第15至17行，当 accessedByMultipleThreads 变量为 true 时，不改变 state。
在每个对象中使用这个类，检查是否被多个线程访问。下面的 UpdateStateNotThreadSafe 展示了如何使用 state：
public class UpdateStateNotThreadSafe {
private volatile State state = new State();
public void update() {
state = state.update();
}
public State getState() {
return state;
}
}第2行，把 state 存入 volatile 变量。这里需要使用 volatile 关键字确保线程始终能够看到当前值。
下面这个测试用来检查 volatile 变量是否线程安全：
import com.vmlens.api.AllInterleavings;
public class TestNotThreadSafe {
@Test
public void test() throws InterruptedException {
try (AllInterleavings allInterleavings =
new AllInterleavings(“TestNotThreadSafe”);){
while (allInterleavings.hasNext()) {
final UpdateStateNotThreadSafe object = new UpdateStateNotThreadSafe();
Thread first = new Thread(() -> { object.update(); });
Thread second = new Thread(() -> { object.update(); });
first.start();
second.start();
first.join();
second.join();
assertTrue(object.getState().isAccessedByMultipleThreads());
}
}
}
}第9至10行创建了两个线程，用来测试在 volatile 变量是否线程安全。第11至12行启动这两个线程，直到两个线程调用线程 join 操作结束（第13至14行）。第15行，当两个线程停止后，检查 accessedByMultipleThreads 是否为 true。
为了测试所有线程的交叉情况，第7行的 while 循环会遍历 AllInterleavings 类中所有 interleavingvmlens。（译注：interleaving 是 vmlens 开发库多线程测试中的概念）运行测试看到以下错误：
java.lang.AssertionError:
at org.junit.Assert.fail(Assert.java:91)
at org.junit.Assert.assertTrue(Assert.java:43)
at org.junit.Assert.assertTrue(Assert.java:54)vmlens 的报告揭示了问题所在：
这里的问题在于，对于特定线程两个线程会首先交叉读取 state。因此，一个线程会覆盖另一个线程的结果。
如何使用 AtomicReference？
为了解决这种竞态条件，我使用 AtomicReference 的 compareAndSet 方法。
compareAndSet 方法有两个参数，期望值和更新值。该方法会自动检测当前值与期望值是否相等。如果相等，会设置为更新值并返回 true。如果不等，则当前值保持不变并返回 false。
这种方法的主要思想，通过 compareAndSet 检查计算新值的过程中，当前值是否被另一个线程修改。如果没有，可以安全地更新当前值。否则，需要使用更改后的当前值重新计算新值。
下面显示了如何使用 compareAndSet 方法自动更新 state：
public class UpdateStateWithCompareAndSet {
private final AtomicReference<State> state = new AtomicReference<State>(new State());
public void update() {
State current = state.get();
State newValue = current.update();
while( ! state.compareAndSet( current , newValue ) ) {
current = state.get();
newValue = current.update();
}
}
public State getState() {
return state.get();
}
}第2行，对 state 变量使用了AtomicReference。第5行，要更新 state 首先需要获取当前值。然后，在第6行计算新值，并在第7行尝试使用 compareAndSet 更新 AtomicReference。如果更新成功，则处理完毕。如果没有成功，需要在第8行再次获取当前值，并在第9行重新计算新值。然后，再次尝试使用 compareAndSet 更新 AtomicReference。使用 while 循环是因为 compareAndSet 可能会多次失败。
总结
使用 volatile 变量会引发竞态条件，因为某个特定线程的交叉访问会覆盖其它线程的计算结果。通过使用 AtomicReference 类中的 compareAndSet 方法可以规避这种竞态条件。通过这种方法，可以自动检查当前值是否与开始计算时相同。如果相同，可以安全地更新当前值。否则，需要用更改后的当前值重新计算新值。
可以从 GitHub 上下载所有示例源代码。
github.com/vmlens/tutorial-atomic-reference
