Java并发编程之原子变量

ゞ浴缸里的玫瑰 2022-03-18 14:30 294阅读 0赞

原子变量最主要的一个特点就是所有的操作都是原子的，synchronized关键字也可以做到对变量的原子操作。只是synchronized的成本相对较高，需要获取锁对象，释放锁对象，如果不能获取到锁，还需要阻塞在阻塞队列上进行等待。而如果单单只是为了解决对变量的原子操作，建议使用原子变量。关于原子变量的介绍，主要涉及以下内容：

*  原子变量的基本概念
 *  通过AtomicInteger了解原子变量的基本使用
 *  通过AtomicInteger了解原子变量的基本原理
 *  AtomicReference的基本使用
 *  使用FieldUpdater操作非原子变量的字段属性
 *  经典的ABA问题的解决

**一、原子变量的基本概念**  
     原子变量保证了该变量的所有操作都是原子的，不会因为多线程的同时访问而导致脏数据的读取问题。我们先看一段synchronized关键字保证变量原子性的代码：

public class Counter {
        private int count;
    
        public synchronized void addCount(){
            this.count++;
        }
    }

简单的count++操作，线程对象首先需要获取到Counter 类实例的对象锁，然后完成自增操作，最后释放对象锁。整个过程中，无论是获取锁还是释放锁都是相当消耗成本的，一旦不能获取到锁，还需要阻塞当前线程等等。

对于这种情况，我们可以将count变量声明成原子变量，那么对于count的自增操作都可以以原子的方式进行，就不存在脏数据的读取了。Java给我们提供了以下几种原子类型：

*  AtomicInteger和AtomicIntegerArray：基于Integer类型
 *  AtomicBoolean：基于Boolean类型
 *  AtomicLong和AtomicLongArray：基于Long类型
 *  AtomicReference和AtomicReferenceArray：基于引用类型

在本文的余下内容中，我们将主要介绍AtomicInteger和AtomicReference两种类型，AtomicBoolean和AtomicLong的使用和内部实现原理几乎和AtomicInteger一样。

**二、AtomicInteger的基本使用**  
     首先看它的两个构造函数：

private volatile int value;
    
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    public AtomicInteger() {
    
    }

可以看到，我们在通过构造函数构造AtomicInteger原子变量的时候，如果指定一个int的参数，那么该原子变量的值就会被赋值，否则就是默认的数值0。

也有获取和设置这个value值的方法：

public final int get()
    public final void set(int newValue)

当然，这两个方法并不是原子的，所以一般也很少使用，而以下的这些基于原子操作的方法则相对使用的频繁，至于它们的具体实现是怎样的，我们将在本文的后续小节中进行简单的学习。

//基于原子操作，获取当前原子变量中的值并为其设置新值
    public final int getAndSet(int newValue)
    //基于原子操作，比较当前的value是否等于expect，如果是设置为update并返回true，否则返回false
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
    //基于原子操作，获取当前的value值并自增一
    public final int getAndIncrement()
    //基于原子操作，获取当前的value值并自减一
    public final int getAndDecrement()
    //基于原子操作，获取当前的value值并为value加上delta
    public final int getAndAdd(int delta)
    //还有一些反向的方法，比如：先自增在获取值的等等

下面我们实现一个计数器的例子，之前我们使用synchronized实现过，现在我们使用原子变量再次实现该问题。

//自定义一个线程类
    public class MyThread extends Thread {
    
        public static AtomicInteger value = new AtomicInteger();
    
        @Override
        public void run(){
            try {
                Thread.sleep((long) ((Math.random())*100));
                //原子自增
                value.incrementAndGet();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

//main函数中启动100条线程并让他们启动
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread[] threads = new Thread[100];
        for (int i=0;i<100;i++){
            threads[i] = new MyThread();
            threads[i].start();
        }
    
        for (int j=0;j<100;j++){
            threads[j].join();
        }
    
        System.out.println("value:"+MyThread.value);
    }

多次运行会得到相同的结果：

![这里写图片描述][SouthEast]

很显然，使用原子变量要比使用synchronized要简洁的多并且效率也相对较高。

**三、AtomicInteger的内部基本原理**  
     AtomicInteger的实现原理有点像我们的包装类，内部主要操作的是value字段，这个字段保存就是原子变量的数值。value字段定义如下：

private volatile int value;

首先value字段被volatile修饰，即不存在内存可见性问题。由于其内部实现原子操作的代码几乎类似，我们主要学习下incrementAndGet方法的实现。

在揭露该方法的实现原理之前，我们先看另一个方法：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update{
         return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

compareAndSet方法又被称为CAS，该方法调用unsave的一个compareAndSwapInt方法，这个方法是native，我们看不到源码，但是我们需要知道该方法完成的一个目标：比较当前原子变量的值是否等于expect，如果是则将其修改为update并返回true，否则直接返回false。当然，这个操作本身就是原子的，较为底层的实现。

在jdk1.7之前，我们的incrementAndGet方法是这样实现的：

public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

方法体是一个死循环，current获取到当前原子变量中的值，由于value被修饰volatile，所以不存在内存可见性问题，数据一定是最新的。然后current加一后赋值给next，调用我们的CAS原子操作判断value是否被别的线程修改过，如果还是原来的值，那么将next的值赋值给value并返回next，否则重新获取当前value的值，再次进行判断，直到操作完成。

incrementAndGet方法的一个很核心的思想是，在加一之前先去看看value的值是多少，真正加的时候再去看一下，如果发现变了，不操作数据，否则为value加一。

但是在jdk1.8以后，做了一些优化，但是最后还是调用的compareAndSwapInt方法。但基本思想还是没变。

**四、AtomicReference的基本使用**  
     对于一些自定义类或者字符串等这些引用类型，Java并发包也提供了原子变量的接口支持。AtomicReference内部使用泛型来实现的。

private volatile V value;
    
    public AtomicReference(V initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    
    public AtomicReference() {
    
    }

有关其他的一些原子方法如下：

//获取并设置value的值为newvalue
    public final V getAndSet(V newValue) {
        return (V)unsafe.getAndSetObject(this, valueOffset, newValue);
    }

AtomicReference中少了一些自增自减的操作，但是对于value的修改依然是原子的。

**五、使用FieldUpdater操作非原子变量的字段属性**  
     FieldUpdater允许我们不必将字段设置为原子变量，利用反射直接以原子方式操作字段。例如：

//定义一个计数器
    public class Counter {
        private volatile  int count;
    
        public int getCount() {
            return count;
        }
    
        public void addCount(){
            AtomicIntegerFieldUpdater<Counter> updater  = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Counter.class,"count");
            updater.getAndIncrement(this);
        }
    }

然后我们创建一百个线程随机调用同一个Counter对象的addCount方法，无论运行多少次，结果都是一百。这种方式实现的原子操作，对于被操作的变量不需要被包装成原子变量，但是却可以直接以原子方式操作它的数值。

**六、经典的ABA问题**  
     我们的原子变量都依赖一个核心的方法，那就是CAS。这个方法最核心的思想就是，更改变量值之前先获取该变量当前最新的值，然后在实际更改的时候再次获取该变量的值，如果没有被修改，那么进行更改，否则循环上述操作直至更改操作完成。假如一个线程想要对变量count进行修改，实际操作之前获取count的值为A，此时来了一个线程将count值修改为B，又来一个线程获取count的值为B并将count修改为A，此时第一个线程全然不知道count的值已经被修改两次了，虽然值还是A，但是实际上数据已经是脏的。

这就是典型的ABA问题，一个解决办法是，对count的每次操作都记录下当前的一个时间戳，这样当我们原子操作count之前，不仅查看count的最新数值，还记录下该count的时间戳，在实际操作的时候，只有在count的数值和时间戳都没有被更改的情况之下才完成修改操作。

public static void main(String[] args){
        int count=0;
        int stamp = 1;
        AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference(count,stamp);
        int next = count++;
        reference.compareAndSet(count, next, stamp, stamp);
    }

AtomicStampedReference 的CAS方法要求传入四个参数，该方法的内部会同时比较count和stamp，只有这两个值都没有发生改变的前提下，CAS才会修改count的值。

上述我们介绍了有关原子变量的最基本内容，最后我们比较下原子变量和synchronized关键字的区别。

从思维模式上看，原子变量代表一种乐观的非阻塞式思维，它假定没有别人会和我同时操作某个变量，于是在实际修改变量的值的之前不会锁定该变量，但是修改变量的时候是使用CAS进行的，一旦发现冲突，继续尝试直到成功修改该变量。

而synchronized关键字则是一种悲观的阻塞式思维，它认为所有人都会和我同时来操作某个变量，于是在将要操作该变量之前会加锁来锁定该变量，进而继续操作该变量。

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