Java 并发编程(二十):原子操作类 深碍√TFBOYSˉ_ 2022-03-10 06:46 285阅读 0赞 ### 文章目录 ### * * 1、简介 * 2、原子更新基本类型 * * 2.1、AtomicInteger 实现原子操作的原理 * * 2.1.1、AtomicInteger 使用示例 * 2.1.2、getAndIncrement 源码 * 2.2、lazySet 方法是如何工作的 * * 2.2.1、简介 * 2.2.2、好处 * 2.2.3、如何实现 * 2.3、compareAndSet 与 weakCompareAndSet 区别 * 3、原子更新数组类型 * 4、原子更新引用类型 * 5、原子更新属性类型 ## 1、简介 ## 当需要更新一个变量时,如果多个线程同时更新,可能得到不正确的值,比如变量 i=1,线程A操作 i+1,线程B也操作 i+1,最终可能得到结果 i=2 ,而不是 i=3。 ![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA2NDcwMzU_size_16_color_FFFFFF_t_70] 因为两个线程在更新变量 i 时,拿到的都是 i=1,这就是线程不安全的操作。通常我们会用synchronized 来解决这个问题,synchronized 会保证多线程不会同时更新变量i。 Java 从JDK 1.5 开始提供了 java.util.concurrent.atomic 包,这个包中的原子操作类提供了一种简单高效、线程安全更新变量的方式。 在 Atomic 包里提供了13个原子操作类,分为4中类型,分别是:原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这13个类基本都是使用Unsafe 实现的包装类,底层实现原理就是使用 CAS 机制来实现原子操作的。关于 CAS 的实现原理,见:[https://blog.csdn.net/u010647035/article/details/88370551][https_blog.csdn.net_u010647035_article_details_88370551] ## 2、原子更新基本类型 ## AtomicBoolean 原子更新布尔类型、AtomicInteger 原子更新整形、AtomicLong 原子更新长整型 这三个类提供的方法几乎一致,这里以 AtomicInteger 为例进行讲解,AtomicInteger 提供的方法如下: **1)public final int addAndGet(int delta)** 以原子的方式,将输入的数值与实例的数值相加,并返回结果 **2)public final boolean compareAndSet(int expect, int update)** 如果 expect 值等于当前实例值,则将当前实例值更新为 update 值。 **3)public final int getAndIncrement()** 以原子方式将当前值加1,并返回原值 **4)public final void lazySet(int newValue)** 最终会设置为newValue,使用 lazySet 设置值后,可能会导致其它线程在之后的一段时间内还是可以读取到旧的值 **5)public final int getAndSet(int newValue)** 原子方式设置为 newValue 并返回旧值 **6)public final int getAndDecrement()** 以原子方式将当前值加1,并返回旧值 **7)public final int getAndAdd(int delta)** 以原子方式将当前值加 delta,并返回旧值 **8)public final int incrementAndGet()** 以原子方式将当前值加1,并返回计算后的值 **9)public final int decrementAndGet()** 以原子方式将当前值减1,并返回计算后的值 **10)public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)** 使用给定函数计算的结果以原子方式更新当前值,并返回旧值 **11)public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)** 使用给定函数计算的结果以原子方式更新当前值,并返回计算后的值 **12)public final int getAndAccumulate(int x,IntBinaryOperator accumulatorFunction)** 使用给定的函数与给定的值计算出一个新值,用这个新值更新当前实例的值,并返回旧值 **13)public final int accumulateAndGet(int x,IntBinaryOperator accumulatorFunction)** 使用给定的函数与给定的值计算出一个新值,用这个新值更新当前实例的值,并返回新值 **14)public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update)** ### 2.1、AtomicInteger 实现原子操作的原理 ### #### 2.1.1、AtomicInteger 使用示例 #### public static void main(String[] args) { AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1); System.out.println("getAndIncrement:" + atomicInteger.getAndIncrement()); System.out.println("get:" + atomicInteger.get()); } 输出: getAndIncrement:1 get:2 AtomicInteger 是如何实现原子操作的呢,它的原理又是什么,下面我们看一下 getAndIncrement 的源码 #### 2.1.2、getAndIncrement 源码 #### //java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); } //sun.misc.Unsafe public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5; } 我们可以看到 getAndIncrement 调用了 unsafe 的 getAndAddInt,getAndAddInt调用了Unsafe的native方法:getIntVolatile 和 compareAndSwapInt,在do-while循环中先取得当前值,然后通过CAS判断当前值是否和current 一致,如果一致意味着值没被其他线程修改过,把当前值设置为当前值+var4,,如果不相等程序进入信的CAS循环。 由于atomic只提供了int,long和boolean的原子操作类,那么其他的基本类型,如byte,char,float,double如何实现原子操作呢,原子操作都是通过Unsafe实现的,让我们看一下Unsafe的实现 public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6); 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。 ### 2.2、lazySet 方法是如何工作的 ### #### 2.2.1、简介 #### 为一个AtomicLong对象设置一个值,jvm会确保其他线程读取到最新值,原子类和voliatile变量也是一样的,这是由依赖于硬件的系统指令(如x86的xchg)实现的。lazySet却是无法保证这一点的方法,所以其他线程在之后的一小段时间里还是可以读到旧的值。 #### 2.2.2、好处 #### 在多核处理器下,内存以及cpu缓存的读和写常常是顺序执行的,所以在多个cpu缓存之间同步一个内存值的代价是很昂贵的。 #### 2.2.3、如何实现 #### 大多数的原子类,比如AtomicLong本质上都是一个 Unsafe 和一个 volatile Long变量的包装类。值得注意的是 AtomicLong.lazySet 方法实际是调用了本地方法 Unsafe.putOrderedLong,从Unsafe的代码中可以发现 Unsafe\_setOrderedLong 是一个本地方法(c++实现),它仅调用了 SET\_FIELD\_VOLATILE,这很是奇怪,我们期望共享的 Unsafe\_setLongVolatile 拥有不同的语义。 参考资料:[http://ifeve.com/how-does-atomiclong-lazyset-work/][http_ifeve.com_how-does-atomiclong-lazyset-work] ### 2.3、compareAndSet 与 weakCompareAndSet 区别 ### 暂时未弄明白 ## 3、原子更新数组类型 ## 通过原子方式更新数组中的某个元素,Atomic 包提供了以下3个类,分别是: AtomicIntegerArray:原子更新整形数组里的元素 AtomicLongArray:原子更新长整形数组里的元素 AtomicReferenceArray:原子更新引用数组里的元素 因为每个类里面提供的方法都一致,因此以 AtomicIntegerArray 为例来说明。 AtomicIntegerArray主要提供了以原子方式更新数组里的整数,常见方法如下: **int addAndGet(int i, int delta):** 以原子的方式将输入值与数组中索引为i的元素相加 **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。 **AtomicIntegerArray 应用示例:** public class AtomicIntegerArrayTest { private static int[] value = new int[]{1, 2, 3}; private static AtomicIntegerArray atomicInteger = new AtomicIntegerArray(value); public static void main(String[] args) { atomicInteger.getAndSet(0, 9); System.out.println(atomicInteger.get(0)); System.out.println(value[0]); } } 输出: 9 1 数组v alue 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。 ## 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,就需要使用原子更新引用类型提供的类了。 原子引用类型atomic包主要提供了以下几个类: **AtomicReference:** 原子更新引用类型 **AtomicReferenceFieldUpdater:** 原子更新引用类型里的字段 **AtomicMarkableReference:** 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,booleaninitialMark) 以上类中提供的方法基本一致,我们以AtomicReference为例说明: public class AtomicReferenceTest { private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<User>(); public static void main(String[] args) { User user = new User("Jack", 21); reference.set(user); User updateUser = new User("Jonse", 28); reference.compareAndSet(user, updateUser); System.out.println(reference.get().getName()); System.out.println(reference.get().getAge()); } static class User { private String name; private int age; public User(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } public String getName() { return name; } public int getAge() { return age; } } } 输出: Jonse 28 首先创建一个user对象,然后把user对象设置进 AtomicReference 中,最后通过 compareAndSet 做原子更新操作 ## 5、原子更新属性类型 ## 如果需要原子更新某个对象的某个字段,就需要使用原子更新属性的相关类,atomic中提供了一下几个类用于原子更新属性: **AtomicIntegerFieldUpdater:** 原子更新整形属性的更新器 **AtomicLongFieldUpdater:** 原子更新长整形的更新器 **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。 想要原子的更新字段,需要两个步骤: 1)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 2)更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符 以 AstomicIntegerFieldUpdater 为例进行讲解,AstomicIntegerFieldUpdater 的示例代码如下: public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest { //创建原子更新器,并设置需要更新的对象及属性 private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age"); public static void main(String[] args) { User user = new User("baby", 18); //baby长了一岁,输出 18 System.out.println(updater.getAndIncrement(user)); //输出19 System.out.println(updater.get(user)); } static class User { private String name; public volatile int age; public User(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } public String getName() { return name; } public int getAge() { return age; } } } 输出结果: 18 19 [watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMTA2NDcwMzU_size_16_color_FFFFFF_t_70]: /images/20220310/c4743b091f47429ebaa2232f7be46694.png [https_blog.csdn.net_u010647035_article_details_88370551]: https://blog.csdn.net/u010647035/article/details/88370551 [http_ifeve.com_how-does-atomiclong-lazyset-work]: http://ifeve.com/how-does-atomiclong-lazyset-work/
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