原子操作类的使用以及ABA问题的解决

Bertha 。 2022-11-01 13:53 183阅读 0赞

原子操作类包括以下几类：

*  基本类：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean。
 *  引用类型：AtomicReference、AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference。
 *  数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray。
 *  属性原子修改器（Updater）：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater。

# 原子操作类的使用 #

## AtomicInteger的使用 ##

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。
 *  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。
 *  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。
 *  int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
 *  int incrementAndGet()：以原子方式将当前值加1后返回。

package com.morris.concurrent.thread.atomic;
    
    import java.util.concurrent.CountDownLatch;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class AtomicIntegerDemo { 
    
        public static AtomicInteger inc = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException { 
    
            CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);
    
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                new Thread(() -> { 
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) { 
                        inc.incrementAndGet();
                        ///System.out.println(inc.get());
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }).start();
            }
    
            countDownLatch.await(); // 保证前面的线程都执行完
            System.out.println(inc.get()); // 10000
    
        }
    }

## AtomicReference的使用 ##

package com.morris.concurrent.atomic.primary;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
    
    public class AtomicReferenceDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            Person p1 = new Person("bob");
            Person p2= new Person("morris");
            AtomicReference<Person> atomicReference = new AtomicReference(p1);
            atomicReference.compareAndSet(p1, p2);
            System.out.println(atomicReference.get().name);
     // morris
        }
    
        private static class Person { 
            String name;
            Person(String name) { 
                this.name = name;
            }
        }
    }

## AtomicIntegerArray的使用 ##

package com.morris.concurrent.atomic;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
    
    public class AtomicIntegerArrayDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(10);
            atomicIntegerArray.set(1, 10);
            atomicIntegerArray.compareAndSet(1, 10, 20);
            System.out.println(atomicIntegerArray.get(1)); // 20
        }
    }

## AtomicIntegerFieldUpdater的使用 ##

package com.morris.concurrent.atomic;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
    
    
    public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo { 
        public static void main(String[] args) { 
            Person person = new Person();
            AtomicIntegerFieldUpdater atomicIntegerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Person.class, "age");
            atomicIntegerFieldUpdater.set(person, 18);
            atomicIntegerFieldUpdater.compareAndSet(person, 18, 20);
            System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.get(person));
     // 20
        }
    
        private static class Person { 
            volatile int age; // 注意age必须用volatile修饰
        }
    }

# ABA问题 #

### ABA问题的发生 ###

ABA：假设有另外一个线程将值原来是A，先修改成B，再修改回成A，当前线程的CAS操作无法分辨当前V值是否发生过变化。

package com.morris.concurrent.thread.atomic;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class ABADemo { 
    
        private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    
        public static void main(String[] args) { 
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                new Thread(() -> { 
                    try { 
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                    int expect = 0;
                    int update = 1;
                    if (atomicInteger.compareAndSet(expect, update)) { 
                        System.out.printf("%s将值[%d]修改为[%d]\n", Thread.currentThread().getName(), expect, update);
                    }
                }).start();
            }
    
            new Thread(() -> { 
                int expect = 1;
                int update = 0;
                while (!atomicInteger.compareAndSet(expect, update)) { 
                }
                System.out.printf("%s将值[%d]修改为[%d]\n", Thread.currentThread().getName(), expect, update);
            }).start();
        }
    
    }

运行结果如下：

Thread-0将值[0]修改为[1]
    Thread-10将值[1]修改为[0]
    Thread-3将值[0]修改为[1]

可以发现，有两个线程修改了这个值，我们是想那一堆将0改成1的线程仅有一个成功。此时我们通过类来AtomicStampedReference或AtomicMarkableReference解决这个问题。

### 使用AtomicStampedReference解决ABA问题 ###

AtomicStampedReference使用了版本号来解决ABA问题，值的每次修改都会更新版本号，每次比较时不仅会比较值，还会比较版本号。

package com.morris.concurrent.atomic;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
    
    public class ABAAtomicStampedReference { 
        // 第一个参数为初始值0
        // 第二个参数为初始版本为0
        private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(0, 0);
    
        public static void main(String[] args) { 
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                new Thread(() -> { 
                    try { 
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                    int expect = 0;
                    int update = 1;
                    int stamp = 0;
                    int newStamp = 1;
                    if (atomicStampedReference.compareAndSet(expect, update, stamp, newStamp)) { 
                        System.out.printf("%s将值[%d]修改为[%d],版本[%d]修改为[%d]\n", Thread.currentThread().getName(), expect, update, stamp, newStamp);
                    }
                }).start();
            }
    
            new Thread(() -> { 
                try { 
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                int expect = 1;
                int update = 0;
                int stamp = 1;
                int newStamp = 2;
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(expect, update, stamp, newStamp)) { 
                    System.out.printf("%s将值[%d]修改为[%d],版本[%d]修改为[%d]\n", Thread.currentThread().getName(), expect, update, stamp, newStamp);
                }
            }).start();
        }
    }

### 使用AtomicMarkableReference解决ABA问题 ###

AtomicMarkableReference使用标记来解决ABA问题，值的每次修改都会更新标记，每次比较时不仅会比较值，还会比较标记。

AtomicStampedReference关心的是值被改了多少次。而AtomicMarkableReference关心的值有没有被改变。

package com.morris.concurrent.atomic;
    
    import java.util.concurrent.TimeUnit;
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;
    
    
    public class ABAAtomicMarkableReference { 
        // 第一个参数为初始值0
        // 第二个参数为初始标记为0
        private static AtomicMarkableReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicMarkableReference(0, true);
    
        public static void main(String[] args) { 
            for (int i = 0; i < 10; i++) { 
                new Thread(() -> { 
                    try { 
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) { 
                        e.printStackTrace();
                    }
                    int expect = 0;
                    int update = 1;
                    boolean expectMark = true;
                    boolean newMark = false;
                    if (atomicStampedReference.compareAndSet(expect, update, expectMark, newMark)) { 
                        System.out.printf("%s将值[%d]修改为[%d],标记[%s]修改为[%s]\n", Thread.currentThread().getName(), expect, update, expectMark, newMark);
                    }
                }).start();
            }
    
            new Thread(() -> { 
                try { 
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) { 
                    e.printStackTrace();
                }
                int expect = 1;
                int update = 0;
                boolean expectMark = false;
                boolean newMark = true;
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(expect, update, expectMark, newMark)) { 
                    System.out.printf("%s将值[%d]修改为[%d],标记[%s]修改为[%s]\n", Thread.currentThread().getName(), expect, update, expectMark, newMark);
                }
            }).start();
        }
    }

## 实现原理 ##

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。

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);

参数解释：

*  参数1：对象所在的类本身的对象（一般这里是对一个对象的属性做修改，才会出现并发，所以该对象所存在的类也是有一个对象的）。
 *  参数2：这个属性在这个对象里面的相对偏移量位置，其实对比时是对比内存单元，所以需要属性的起始位置，而引用就是修改引用地址（根据OS、VM位数和参数配置决定宽度一般是4-8个字节），int就是修改相关的4个字节，而long就是修改相关的8个字节。获取偏移量也是通过unsafe的一个方法：objectFieldOffset(Fieldfield)来获取属性在对象中的偏移量；静态变量需要通过staticFieldOffset(Field field)获取，调用的总方法是：fieldOffset(Fieldfield)。
 *  参数3：修改的引用的原始值，用于对比原来的引用和要修改的目标是否一致。
 *  参数4：修改的目标值，要将数据修改成什么。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]

对象的引用进行对比后交换，交换成功返回true，交换失败返回false，这个交换过程完全是原子的，在CPU上计算完结果后，都会对比内存的结果是否还是原先的值，若不是，则认为不能替换，因为变量是volatile类型所以最终写入的数据会被其他线程看到，所以一个线程修改成功后，其他线程就发现自己修改失败了。

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。那么如何原子的更新其他的基本类型呢？

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。

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3UwMjI4MTI4NDk_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221024/5a4a826521dc4c6aa1ece419a6180efd.png