并发原子类：用原子类来保证可见性和原子性

原子类保证原子性JUC是java.util.concurrent包的简称JUC有2大核心CAS和AQSCAS是java.util.concurrent.atomic包的基础即AtomicInteger和AtomicLong等是用CAS实现的我在volatile相关文章中分享过volatile只能保证可见性不能保证原子性。但原子类AtomicInteger等可以保证原子性原子类利用volatileCAS来保证原子性来看看怎么做到的吧。开5个线程每个线程将count加1000NotThreadSafepublicclassCountTest{publicstaticintcount0;publicstaticvoidmain(String[]args){//新建一个线程池ExecutorServiceserviceExecutors.newCachedThreadPool();//Java8 lambda表达式执行runnable接口for(inti0;i5;i){service.execute(()-{for(intj0;j1000;j){count;}});}//关闭线程池service.shutdown();try{TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}System.out.println(count count);}}由于这个代码是线程不安全的因为count不是原子操作所以最终结果有可能小于5000我们可以用synchronized保证操作的原子性和可见性ThreadSafepublicclassCountTest{publicstaticintcount0;publicstaticvoidmain(String[]args){ExecutorServiceserviceExecutors.newCachedThreadPool();for(inti0;i5;i){service.execute(()-{for(intj0;j1000;j){synchronized(CountTest.class){count;}}});}service.shutdown();try{TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}System.out.println(count count);}}synchronized属于悲观锁它有一个明显的缺点它不管数据存不存在竞争都加锁随着并发量增加且如果锁的时间比较长其性能开销将会变得很大。有没有办法解决这个问题答案是基于冲突检测的乐观锁。这种模式下已经没有所谓的锁概念了每个线程都直接先去执行操作检测是否与其他线程存在共享数据竞争如果没有则让此操作成功如果存在共享数据竞争则不断地重新执行操作直到成功为止重新尝试的过程叫自旋java.util.concurrent.atomic包就用到了CAS如AtomicInteger可以用于Integer类型的原子性操作可将上述代码改为如下也是线程安全的ThreadSafepublicclassCountTest{publicstaticAtomicIntegercountnewAtomicInteger(0);publicstaticvoidmain(String[]args){ExecutorServiceserviceExecutors.newCachedThreadPool();for(inti0;i5;i){service.execute(()-{for(intj0;j1000;j){count.getAndIncrement();}});}service.shutdown();try{TimeUnit.SECONDS.sleep(2);}catch(InterruptedExceptione){e.printStackTrace();}System.out.println(count count);}}CAS介绍CASCompare and Swap, 翻译成比较并交换。CAS有3个操作数内存值V旧的预期值A要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时将内存值V修改为B否则什么都不做。仔细看图CAS原理就是这么简单看源码加深一下印象。实现原理privatestaticfinalUnsafeunsafeUnsafe.getUnsafe();privatestaticfinallongvalueOffset;static{try{valueOffsetunsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField(value));}catch(Exceptionex){thrownewError(ex);}}privatevolatileintvalue;AtomicInteger的值保存在value中通过volatile保证操作的可见性通过一个静态代码块来保证类被加载时valueOffset已经有值了Unsafe是一个不安全的类提供了一些对底层的操作我们是不能使用这个类的valueOffset 是AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量publicfinalintgetAndIncrement(){returnunsafe.getAndAddInt(this,valueOffset,1);}//第一个参数为当前这个对象如count.getAndIncrement()则这个参数则为count这个对象//第二个参数为AtomicInteger对象value成员变量在内存中的偏移量//第三个参数为要增加的值publicfinalintgetAndAddInt(Objectvar1,longvar2,intvar4){intvar5;do{//调用底层方法得到value值var5this.getIntVolatile(var1,var2);//通过var1和var2得到底层值,var5为当前值如果底层值当前值则将值设为var5var4并返回true否则返回false}while(!this.compareAndSwapInt(var1,var2,var5,var5var4));returnvar5;}这个方法是由其他语言实现的就不再分析publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(Objectvar1,longvar2,intvar4,intvar5);并发比较低的时候用CAS比较合适并发比较高用synchronized比较合适CAS的缺点1.只能保证对一个变量的原子性操作当对一个共享变量执行操作时我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作但是对多个共享变量操作时循环CAS就无法保证操作的原子性这个时候就可以用锁来保证原子性。2.长时间自旋会给CPU带来压力我们可以看到getAndAddInt方法执行时如果CAS失败会一直进行尝试。如果CAS长时间一直不成功可能会给CPU带来很大的开销。3.ABA问题如果内存地址V初次读取的值是A并且在准备赋值的时候检查到它的值仍然为A那我们就能说它的值没有被其他线程改变过了吗如果在这段期间它的值曾经被改成了B后来又被改回为A那CAS操作就会误认为它从来没有被改变过。这个漏洞称为CAS操作的“ABA”问题。Java并发包为了解决这个问题提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性如果需要解决ABA问题改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。除了AtomicInteger外Java还提供了很多其他类型的原子类按照作用分类如下原子更新数组元素AtomicIntegerArray原子更新整型数组中的元素AtomicLongArray原子更新长整型数组中的元素AtomicReferenceArray原子更新引用类型数组中的元素AtomicIntegerArrayarraynewAtomicIntegerArray(newint[]{1,2,3});// 1System.out.println(array.getAndAdd(0,5));// 6System.out.println(array.get(0));原子更新引用类型AtomicReference原子更新引用类型AtomicStampedReference原子更新引用类型对比版本号AtomicMarkableReference原子更新引用类型对比bool值DataAllArgsConstructorpublicclassUser{privateStringname;privateIntegerage;}AtomicReferenceUserreferencenewAtomicReference(newUser(a,1));// AtomicTest.User(namea, age1)System.out.println(reference.getAndSet(newUser(b,2)));// AtomicTest.User(nameb, age2)System.out.println(reference.get());AtomicStampedReference更新的时候通过对比版本号来解决ABA的问题// 1为版本号AtomicStampedReferenceStringreferencenewAtomicStampedReference(a,1);// 将a更为b同时将版本号加1// trueSystem.out.println(reference.compareAndSet(a,b,reference.getStamp(),reference.getStamp()1));// 更新失败因为版本号不一致// falseSystem.out.println(reference.compareAndSet(b,c,1,reference.getStamp()));// bSystem.out.println(reference.getReference());AtomicMarkableReference更新的时候通过对比bool值来解决ABA的问题AtomicMarkableReferenceStringreferencenewAtomicMarkableReference(a,false);// trueSystem.out.println(reference.compareAndSet(a,b,reference.isMarked(),!reference.isMarked()));原子更新字段AtomicIntegeFieldUpdater原子更新整型字段类AtomicLongFieldUpdater原子更新长整型字段类AtomicReferenceFieldUpdater原子更新引用类型字段类更新类的属性必须使用public volatile修饰保证可见性DataAllArgsConstructorpublicclassPerson{privateStringname;publicvolatileintage;}PersonpersonnewPerson(a,1);AtomicIntegerFieldUpdaterupdaterAtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Person.class,age);// 2System.out.println(updater.incrementAndGet(person));