Java多线程之原子操作类

在并发编程中很容易出现并发安全问题，最简单的例子就是多线程更新变量i=1，多个线程执行i++操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。实际上，在J.U.C下的Atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新多种类型。Atomic包下的这些类都是采用乐观锁策略CAS来更新数据。

CAS原理与问题

CAS操作（又称为无锁操作）是一种乐观锁策略。它假设所有线程访问共享资源的时候不会出现冲突，因此不会阻塞其他线程的操作。那么，如果出现冲突了怎么办？无锁操作是使用CAS(compare and swap)来鉴别线程是否出现冲突，出现冲突就重试当前操作直到没有冲突为止。

CAS的操作过程

举例说明：
Atomic包中的AtomicInteger类，是通过Unsafe类下的native函数compareAndSwapInt自旋来保证原子性，
其中incrementAndGet函数调用的getAndAddInt函数如下所示：

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;
    }

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。
可见只有自旋实现更新数据操作之后，while循环才能够结束。

CAS的问题

1. 自旋时间过长。由compareAndSwapInt函数可知，自旋时间过长会对性能是很大的消耗。
2. ABA问题。因为CAS会检查旧值有没有变化，这里存在这样一个有意思的问题。比如一个旧值A变为了成B，然后再变成A，刚好在做CAS时检查发现旧值并没有变化依然为A，但是实际上的确发生了变化。解决方案可以添加一个版本号可以解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C，或使用AtomicStampedReference工具类。

Atomic包的使用

原子更新基本类型

Atomic包中原子更新基本类型的工具类：
AtomicBoolean：以原子更新的方式更新boolean；
AtomicInteger：以原子更新的方式更新Integer;
AtomicLong：以原子更新的方式更新Long；

这几个类的用法基本一致，这里以AtomicInteger为例总结常用的方法

1. addAndGet(int delta)：以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加，并返回最后的结果；
2. incrementAndGet() ：以原子的方式将实例中的原值进行加1操作，并返回最终相加后的结果；
3. getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
4. getAndIncrement()：以原子的方式将实例中的原值加1，返回的是自增前的旧值；

原理不再赘述，参考上文compareAndSwapInt函数。

AtomicInteger使用示例：

public class AtomicExample {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}
// 2 4 4

LongAdder

为了解决自旋导致的性能问题，JDK8在Atomic包中推出了LongAdder类。LongAdder采用的方法是，共享热点数据分离的计数：将一个数字的值拆分为一个数组。不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的那个值进行CAS操作，这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多；要得到这个数字的话，就要把这个值加起来。相比AtomicLong，并发量大大提高。

优点：有很高性能的并发写的能力
缺点：读取的性能不是很高效，而且如果读取的时候出现并发写的话，结果可能不是正确的

原子更新数组类型

Atomic包中提供能原子更新数组中元素的工具类：
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

这几个类的用法一致，就以AtomicIntegerArray来总结下常用的方法：

1. addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加；
2. getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1；
3. compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为i的位置的元素进行更新

AtomicIntegerArray与AtomicInteger的方法基本一致，只不过在前者的方法中会多一个指定数组索引位i。

AtomicIntegerArray使用示例：

public class AtomicExample {

    private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {
        //对数组中索引为2的位置的元素加3
        int result = integerArray.getAndAdd(2, 3);
        System.out.println(integerArray.get(2));
        System.out.println(result);
    }
}
// 6 3

原子更新引用类型

如果需要原子更新引用类型变量的话，为了保证线程安全，Atomic也提供了相关的类：

1. AtomicReference ：原子更新引用类型；
2. AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段；
3. AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型；

AtomicReference使用示例：

public class AtomicExample {

    private static AtomicReference reference = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("a", 1);
        reference.set(user1);
        User user2 = new User("b",2);
        User user = reference.getAndSet(user2);
        System.out.println(user);
        System.out.println(reference.get());
    }

    static class User {
        private String userName;
        private int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}
// User{userName='a', age=1}
// User{userName='b', age=2}

AtomicReferenceFieldUpdater使用示例：

public class AtomicExample {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Dog.class, String.class, "name");
        Dog dog1 = new Dog();
        updater.compareAndSet(dog1, dog1.name, "cat");
        System.out.println(dog1.name);
    }
}

class Dog {
    volatile String name = "dog1";
}

原子更新字段类型

如果需要更新对象的某个字段，Atomic同样也提供了相应的原子操作类：

1. AtomicIntegeFieldUpdater：原子更新整型字段类；
2. AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段类；

要想使用原子更新字段需要两步操作：
原子更新字段类型类都是抽象类，只能通过静态方法newUpdater来创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性；
更新类的属性必须使用public volatile进行修饰；

AtomicIntegerFieldUpdater使用示例：

public class AtomicExample {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("a", 1);
        System.out.println(updater.getAndAdd(user, 5));
        System.out.println(updater.addAndGet(user, 1));
        System.out.println(updater.get(user));
    }

    static class User {
        private String userName;
        public volatile int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}

解决CAS的ABA问题

AtomicStampedReference：原子更新引用类型，这种更新方式会带有版本号，从而解决CAS的ABA问题

AtomicStampedReference使用示例：

public class AtomicExample {

    public static void main(String[] args) {
        Integer init1 = 1110;
//        Integer init2 = 126;
        AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>(init1, 1);
        int curent1 = reference.getReference();
//        Integer current2 = reference.getReference();
        reference.compareAndSet(reference.getReference(), reference.getReference() + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//正确写法
//        reference.compareAndSet(current2, current2+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//正确写法
//        reference.compareAndSet(1110, 1111, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//错误写法
//        reference.compareAndSet(curent1, curent1+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//错误写法
//        reference.compareAndSet(current2, current2 + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
        System.out.println("reference.getReference() = " + reference.getReference());
    }
}

AtomicStampedReference踩过的坑

参考上面的代码，分享一个笔者遇到的一次坑。AtomicStampedReference的compareAndSet函数中，前两个参数是使用包装类的。所以当参数超过128时，而且传入参数并不是reference.getReference()获取的话，会导致expectedReference == current.reference为false，则无法进行更新。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

最后，限于笔者经验水平有限，欢迎读者就文中的观点提出宝贵的建议和意见。如果想获得更多的学习资源或者想和更多的是技术爱好者一起交流，可以关注我的公众号『全菜工程师小辉』后台回复关键词领取学习资料、进入前后端技术交流群和程序员副业群。同时也可以加入程序员副业群Q群：735764906 一起交流。