java并发包之原子类Automic

1.概述

  • Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包,方便程序员在多线程环境下,无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令,但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样,也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。
  • 原子类其内部实现不是简单的使用synchronized,而是一个更为高效的方式CAS (compare and swap) + volatile和native方法(同步的工作更多的交给了硬件),从而避免了synchronized的高开销,执行效率大为提升
  • 虽然基于CAS的线程安全机制很好很高效,但要说的是,并非所有线程安全都可以用这样的方法来实现,这只适合一些粒度比较小,型如计数器这样的需求用起来才有效,否则也不会有锁的存在了
  • 在Atomic包里一共有12个类,四种原子更新方式,分别是原子更新基本类型,原子更新数组,原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。
    java并发包之原子类Automic_第1张图片

2.代码详解

现在我们来分析一下Atomic包中AtomicInteger的源代码,其它类的源代码在原理上都比较类似。

  • 有参构造函数:从构造函数函数可以看出,数值存放在成员变量value中;
  • 成员变量value声明为volatile类型,说明了多线程下的可见性,即任何一个线程的修改,在其它线程中都会被立刻看到
public AtomicInteger(int initialValue) { 
  value = initialValue;
}

  • compareAndSet方法(value的值通过内部this和valueOffset传递)
  • 这个方法就是最核心的CAS操作
  • 接收2个参数,一个是期望数据(expected),一个是新数据(new);如果atomic里面的数据和期望数据一致,则将新数据设定给atomic的数据,返回true,表明成功;否则就不设定,并返回false。
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
 return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

  • getAndSet方法,在该方法中调用了compareAndSet方法
  • 本质是get( )操作,然后做set( )操作。尽管这2个操作都是atomic,但是他们合并在一起的时候,就不是atomic
  • 如果在执行if(compareAndSet(current,newValue)之前其它线程更改了value的值,那么导致value的值必定和current的值不同,compareAndSet执行失败,只能重新获取value的值,然后继续比较,直到成功。
public final int getAndSet(int newValue) {
    for (;;) {
      int current = get();
      if (compareAndSet(current, newValue))
        return current;
    }
}

  • i++的实现
  • 一般来说自增和自减都不是原子操作,其中包含有3个操作步骤:第一步,读取i;第二步,加1或减1;第三步,写回内存
  • 为了实现原子性,必须在for循环中比较值value是否被修改
public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
      int current = get();
      int next = current + 1;
      if (compareAndSet(current, next))
        return current;
    }
}

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

  • 实例:使用AutomicInteger实现随机数字生成器
puclic class AutomicRandom{
    private AutomicInteger seed;
    AutomicRandom(int seed){
        this.seed = new AutomicInteger(seed);
    }
    public int nextInt(){
        while(true){
            int s = seed.get();
            int nextSeed = calculateNext(s);
            if(seed.compareAndSet(s,nextSeed)){ 
                 //对比新旧数据是否一致,一致则设置
                //新的数字成功设置到原子类对象里面
                int remainder = s % n;
                return remainder > 0 ? remainder : remainder + n;
            }
        }
    }
}

3. 总结

  • 在中低程度的竞争下,原子类提供更高的伸缩性;在高强度的竞争下,锁能更好的帮助我们避免竞争。(来自《并发编程实战》)
  • 所以,我们要视情况而定,若资源竞争规模不大,控制粒度较小,使用原子类比使用锁更好,能提高效率与性能

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