死磕 java原子类之终结篇（面试题）

今天药忘吃喽~ 2022-02-01 08:55 119阅读 0赞

## 概览 ##

原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何线程上下文切换。

原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序不可以被打乱，也不可以被切割而只执行其中的一部分，将整个操作视作一个整体是原子性的核心特征。

在java中提供了很多原子类，笔者在此主要把这些原子类分成四大类。

![atomic][]

## 原子更新基本类型或引用类型 ##

如果是基本类型，则替换其值，如果是引用，则替换其引用地址，这些类主要有：

（1）AtomicBoolean

原子更新布尔类型，内部使用int类型的value存储1和0表示true和false，底层也是对int类型的原子操作。

（2）AtomicInteger

原子更新int类型。

（3）AtomicLong

原子更新long类型。

（4）AtomicReference

原子更新引用类型，通过泛型指定要操作的类。

（5）AtomicMarkableReference

原子更新引用类型，内部使用Pair承载引用对象及是否被更新过的标记，避免了ABA问题。

（6）AtomicStampedReference

原子更新引用类型，内部使用Pair承载引用对象及更新的邮戳，避免了ABA问题。

这几个类的操作基本类似，底层都是调用Unsafe的compareAndSwapXxx()来实现，基本用法如下：

private static void testAtomicReference() { 
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        atomicInteger.incrementAndGet();
        atomicInteger.getAndIncrement();
        atomicInteger.compareAndSet(3, 666);
        System.out.println(atomicInteger.get());
    
        AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);
        atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2, 1, 3);
        atomicStampedReference.compareAndSet(2, 666, 3, 5);
        System.out.println(atomicStampedReference.getReference());
        System.out.println(atomicStampedReference.getStamp());
    }

## 原子更新数组中的元素 ##

原子更新数组中的元素，可以更新数组中指定索引位置的元素，这些类主要有：

（1）AtomicIntegerArray

原子更新int数组中的元素。

（2）AtomicLongArray

原子更新long数组中的元素。

（3）AtomicReferenceArray

原子更新Object数组中的元素。

这几个类的操作基本类似，更新元素时都要指定在数组中的索引位置，基本用法如下：

private static void testAtomicReferenceArray() { 
        AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(10);
        atomicIntegerArray.getAndIncrement(0);
        atomicIntegerArray.getAndAdd(1, 666);
        atomicIntegerArray.incrementAndGet(2);
        atomicIntegerArray.addAndGet(3, 666);
        atomicIntegerArray.compareAndSet(4, 0, 666);
        
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(0));
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(1));
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(2));
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(3));
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(4));
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(5));
    }

## 原子更新对象中的字段 ##

原子更新对象中的字段，可以更新对象中指定字段名称的字段，这些类主要有：

（1）AtomicIntegerFieldUpdater

原子更新对象中的int类型字段。

（2）AtomicLongFieldUpdater

原子更新对象中的long类型字段。

（3）AtomicReferenceFieldUpdater

原子更新对象中的引用类型字段。

这几个类的操作基本类似，都需要传入要更新的字段名称，基本用法如下：

private static void testAtomicReferenceField() { 
        AtomicReferenceFieldUpdater<User, String> updateName = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class, String.class,"name");
        AtomicIntegerFieldUpdater<User> updateAge = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
    
        User user = new User("tong ge", 21);
        updateName.compareAndSet(user, "tong ge", "read source code");
        updateAge.compareAndSet(user, 21, 25);
        updateAge.incrementAndGet(user);
        
        System.out.println(user);
    }
    
    private static class User { 
        volatile String name;
        volatile int age;
    
        public User(String name, int age) { 
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
    
        @Override
        public String toString() { 
            return "name: " + name + ", age: " + age;
        }
    }

## 高性能原子类 ##

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：

（1）Striped64

下面四个类的父类。

（2）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。

（3）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。

（4）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。

（5）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。

这几个类的操作基本类似，其中DoubleAccumulator和DoubleAdder底层其实也是用long来实现的，基本用法如下：

private static void testNewAtomic() { 
        LongAdder longAdder = new LongAdder();
        longAdder.increment();
        longAdder.add(666);
        System.out.println(longAdder.sum());
    
        LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator((left, right)->left + right * 2, 666);
        longAccumulator.accumulate(1);
        longAccumulator.accumulate(3);
        longAccumulator.accumulate(-4);
        System.out.println(longAccumulator.get());
    }

## 问题 ##

关于原子类的问题，笔者整理了大概有以下这些：

（1）Unsafe是什么？

（3）Unsafe为什么是不安全的？

（4）Unsafe的实例怎么获取？

（5）Unsafe的CAS操作？

（6）Unsafe的阻塞/唤醒操作？

（7）Unsafe实例化一个类？

（8）实例化类的六种方式？

（9）原子操作是什么？

（10）原子操作与数据库ACID中A的关系？

（11）AtomicInteger怎么实现原子操作的？

（12）AtomicInteger主要解决了什么问题？

（13）AtomicInteger有哪些缺点？

（14）ABA是什么？

（15）ABA的危害？

（16）ABA的解决方法？

（17）AtomicStampedReference是怎么解决ABA的？

（18）实际工作中遇到过ABA问题吗？

（19）CPU的缓存架构是怎样的？

（20）CPU的缓存行是什么？

（21）内存屏障又是什么？

（22）伪共享是什么原因导致的？

（23）怎么避免伪共享？

（24）消除伪共享在java中的应用？

（25）LongAdder的实现方式？

（26）LongAdder是怎么消除伪共享的？

（27）LongAdder与AtomicLong的性能对比？

（28）LongAdder中的cells数组是无限扩容的吗？

关于原子类的问题差不多就这么多，都能回答上来吗？点击下面的链接可以直接到相应的章节查看：

[死磕 java魔法类之Unsafe解析][java_Unsafe]

[死磕 java原子类之AtomicInteger源码分析][java_AtomicInteger]

[死磕 java原子类之AtomicStampedReference源码分析][java_AtomicStampedReference]

[杂谈 什么是伪共享（false sharing）？][_false sharing]

[死磕 java原子类之LongAdder源码分析][java_LongAdder]

## 彩蛋 ##

原子类系列源码分析到此就结束了，虽然分析的类比较少，但是牵涉的内容非常多，特别是操作系统底层的知识，比如CPU指令、CPU缓存架构、内存屏障等。

下一章，我们将进入“同步系列”，同步最常见的就是各种锁了，这里会着重分析java中的各种锁、各种同步器以及分布式锁相关的内容。

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![qrcode][]

[atomic]: /images/20220201/fbba062951284d208b039cf369949c88.png
[java_Unsafe]: https://mp.weixin.qq.com/s/0s-u-MysppIaIHVrshp9fA
[java_AtomicInteger]: https://mp.weixin.qq.com/s/DdwSC5bYgFCWwnb0jxkspg
[java_AtomicStampedReference]: https://mp.weixin.qq.com/s/7pY1jKNVB_dvadZRIzmD1Q
[_false sharing]: https://mp.weixin.qq.com/s/rd13SOSxhLA6TT13N9ni8Q
[java_LongAdder]: https://mp.weixin.qq.com/s/_-z1Bz2iMiK1tQnaDD4N6Q
[qrcode]: /images/20220201/6f5b03de941341a3bd4f84b89886a153.png