Java Concurrency代码实例之三原子变量
本文的读者应该是已经掌握了基本的Java多线程开发技巧，但不熟悉Java Concurrency包的程序员。本文是本系列的第三篇文章，前两篇文章请看这里：
https://zhuanlan.zhihu.com/p/26724352
https://zhuanlan.zhihu.com/p/27148381
1. 前言
按照用途与特性，Concurrency包中包含的工具被分为六类（外加一个工具类TimeUnit），即：
1. 执行者与线程池
2. 并发队列
3. 同步工具
4. 并发集合
5. 锁
6. 原子变量
本文介绍的是其中的原子变量，为什么调整介绍的顺序，是因为在写前两篇的时候意识到非阻塞并发的基础是CAS（CompareAndSwap，比较并替换，后面会详细介绍），而CAS的基础是Unsafe类，因此最好先找一个地方系统性的介绍一下Unsafe和CAS，这个地方就是原子变量类。
2. Java的指针Unsafe类
Java放弃了指针，获得了更高的安全性和内存自动清理的能力。但是，它还是在一个角落里提供了类似于指针的功能，那就是sun.misc.Unsafe类，利用这个类，可以完成许多需要指针才能提供的功能，例如构造一个对象，但是不调用构造函数；找到对象中一个变量的地址，然后直接给它赋值，无视其final属性；通过地址直接操作数组；或者是进行CAS操作。例子如下：
public class UnSafeExam {
public static void main(String[] args) throws InstantiationException, NoSuchFieldException {
//获得一个UnSafe实例
Unsafe unsafe = null;
try {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) f.get(null);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
if (unsafe != null) {
try {
//构造一个对象，且不调用其构造函数
Test test = (Test) unsafe.allocateInstance(Test.class);
//得到一个对象内部属性的地址
long x_addr = unsafe.objectFieldOffset(Test.class.getDeclaredField("x"));
//直接给此属性赋值
unsafe.getAndSetInt(test, x_addr, 47);
System.out.println(test.getX());
} catch (InstantiationException e) {
e.printStackTrace();
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
}
}
//通过地址操作数组
if (unsafe != null) {
final int INT_BYTES = 4;
int[] data = new int[10];
System.out.println(Arrays.toString(data));
long arrayBaseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
System.out.println("Array address is :" + arrayBaseOffset);
unsafe.putInt(data, arrayBaseOffset, 47);
unsafe.putInt(data, arrayBaseOffset + INT_BYTES * 8, 43);
System.out.println(Arrays.toString(data));
}
//CAS
if (unsafe != null) {
Test test = (Test) unsafe.allocateInstance(Test.class);
long x_addr = unsafe.objectFieldOffset(Test.class.getDeclaredField("x"));
unsafe.getAndSetInt(test, x_addr, 47);
unsafe.compareAndSwapInt(test, x_addr, 47, 78);
System.out.println("After CAS:" + test.getX());
}
}
static class Test {
private final int x;
Test(int x) {
this.x = x;
System.out.println("Test ctor");
}
int getX() {
return x;
}
}
}熟悉反射的人应该很快能够理解上面的代码，下面重点说说CAS这个操作。CAS即CompareAndSwap操作，在Unsafe中它有如下形式：
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);这三个方法都有四个参数，其中第一和第二个参数代表对象的实例以及地址，第三个参数代表期望值，第四个参数代表更新值。CAS的语义是，若期望值等于对象地址存储的值，则用更新值来替换对象地址存储的值，并返回true，否则不进行替换，返回false。
后面我们会看到诸多的原子变量，例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等等都提供了CAS操作，其底层都是调用了Unsafe的CAS，它们的参数往往是三个，对象值、期望值和更新值，其语义也与Unsafe中的一致。
CAS是所有原子变量的原子性的基础，为什么一个看起来如此不自然的操作却如此重要呢？其原因就在于这个native操作会最终演化为一条CPU指令cmpxchg，而不是多条CPU指令。由于CAS仅仅是一条指令，因此它不会被多线程的调度所打断，所以能够保证CAS操作是一个原子操作。补充一点，当代的很多CPU种类都支持cmpxchg操作，但不是所有CPU都支持，对于不支持的CPU，会自动加锁来保证其操作不会被打断。
由此可知，原子变量提供的原子性来自CAS操作，CAS来自Unsafe，然后由CPU的cmpxchg指令来保证。
3. i++不是线程安全的
所谓“线程安全的”，意思是在多线程的环境下，多次运行，其结果是不变的，或者说其结果是可预知的。若某些对变量的操作不能保持原子性，则其操作就不是线程安全的。
为了说明原子性，来给出一个没有实现原子性的例子，例如i++这一条语句，它实际上会被编译为两条CPU指令，因此若一些线程在运行时被从中打断，就会造成不确定的后果，如下：
public class IplusplusExam {
private volatile static int i = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
for (int j = 0; j < 10; j++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int k = 0; k < 10000; k++) {
i++;
}
}
});
}
service.shutdown();
service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
System.out.println(i);
}
}十个线程分别对i变量进行10000次i++操作，若i++是线程安全的，则最终i应该等于100000，但是你会发现每次结果都不一样。
4. 保持原子性的AtomicInteger
若要保持一个变量改变数值时的原子性，目前Java最简单的方法就是使用相应的原子变量，例如AtomicInteger、AtomicBoolean和AtomicLong。再来看一个例子：
public class AtomicIntegerExam {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
for (int j = 0; j < 10; j++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int k = 0; k < 10000; k++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
}
});
}
service.shutdown();
service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
System.out.println(atomicInteger.get());
}
}这次的结果为保持为100000了。因为AtomicInteger的incrementAndGet()操作是原子性的。观察其内部代码，它使用了Unsafe的compareAndSwapInt()方法。
那么现在整形有AtomicInteger，长整型有AtomicLong，布尔型有AtomicBoolean，那么浮点型怎么办？JDK的说法是程序员可以利用AtomicInteger以及Float.floatToRawIntBits和Float.intBitsToFloat来自己实现一个AtomicFloat；利用AtomicLong以及Double.doubleToRawLongBits和Double.longBitsToDouble来自己实现一个AtomicDouble。在网上可以搜索到相应的实现https://my.oschina.net/apdplat/blog/418019，这里就不再赘述了。
5. 原子引用AtomicReference
Java的变量有两种类型，原始类型和引用类型。上一章讲了原始类型对应的原子变量，这一章讲的便是原子引用AtomicReference，它的作用就是能够实现对引用类型的原子化更改。例子如下：
public class AtomReferenceExam {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicReference reference = new AtomicReference<>(new Element(0, 0));
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
boolean flag = false;
while (!flag) {
Element storedElement = reference.get();
Element newElement = new Element(storedElement.x + 1, storedElement.y + 1);
flag = reference.compareAndSet(storedElement, newElement);
}
}
}
});
}
service.shutdown();
service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
System.out.println("element.x=" + reference.get().x + ",element.y=" + reference.get().y);
}
private static class Element {
int x;
int y;
public Element(int x, int y) {
this.x = x;
this.y = y;
}
}
} 值得注意的有两点，一是如果有好几个变量要同时进行原子化的改变，那么可以把这几个变量放到一个Java类中，做成一个所谓的POJO（Plain Ordinary Java Object）类，然后使用AtomicReference来操作这个类。
第二点是以下这段代码：
boolean flag = false;
while (!flag) {
Element storedElement = reference.get();
Element newElement = new Element(storedElement.x + 1, storedElement.y + 1);
flag = reference.compareAndSet(storedElement, newElement);
}这是一种很通用的写法，在很多情况下，这种类似的写法都被称之为自旋锁（spinLock，我们会在后续的章节中介绍）。在使用AtomicReference的时候，会常常使用这种写法。
6. AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater和AtomicReferenceFieldUpdater都被称为原子属性更新器。这些类的应用场景是：如果已经有一个写好的类，但是随着业务场景的变化，其中某些属性在写入的时候需要保持原子性，那么就可以使用以上的类来实现这种原子性，并保持类的原有接口不变。
例子如下：
public class AtomicIntegerFieldUpdaterExam {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Student student = new Student(0, "Alex Wang");
AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "id");
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
updater.getAndIncrement(student);
}
}
});
}
service.shutdown();
service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
System.out.println(student);
}
private static class Student {
volatile int id;
String name;
public Student(int id, String name) {
this.id = id;
this.name = name;
}
@Override
public String toString() {
return "Student id = " + id + ",name = " + name;
}
}
} 上面的例子中给出了一个原有的类Student，其中属性id是volatile int（注意，要应用原子属性更新器的属性必须是volatile的），为了使这个属性能够被原子化的改变，我们创建了一个AtomicIntegerFieldUpdater，其构造方法为AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, “id”)，注意第一个参数是一个class，而第二个参数是属性名字的字符串值（这里显然用到了反射）。接下来就可以使用这个Updater来更新属性值了，其用法类似于AtomicInteger。10个线程分别对这个属性进行了10000次加1操作，结果为100000。
7. AtomicIntegerArray原子数组
AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray是原子数组，数组中每个元素在改变时都可以保持原子性。例子如下：
public class AtomicIntegerArrayExam {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(5);
array.set(0, 0);
array.set(1, 0);
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
array.getAndIncrement(0);
}
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
array.getAndIncrement(1);
}
}
});
}
service.shutdown();
service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
System.out.println("array[0] = "+array.get(0)+", array[1] = "+array.get(1));
}
}10个线程分别对array[0]和array[1]进行了10000次加1操作，结果符合原子性。还有一点值得注意的是，为了性能考虑，应该尽量使用AtomicIntegerArray[n]，而不是AtomicInteger[n]，因为后者需要创建n个原子变量实例，而前者只需要创建一个原子变量数组实例，而完成的功能是一样的。
8. AtomicStampedReference带有版本号的原子引用
AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference是atomic包中两个比较难以理解的类，它们都是为了解决ABA问题而创建出来的。
8.1 ABA问题
在介绍AtomicReference的时候已经说过，为了实现原子引用的原子性改变，需要用一种类似于自旋锁的代码写法，如下：
boolean flag = false;
while (!flag) {
Element oldValue = reference.get();
Element newValue = new Element(…);
//如果有其他线程在这里将oldValue从A改为B，做了一些事情，然后又将oldValue改为A，则下面的语句依然能够返回true
flag = reference.compareAndSet(oldValue, newValue);
}以上情况下，oldValue从A改为B，又从B改为A，不会影响compareAndSet的返回值。但是在某些情况下，会造成不确定的结果，因此影响了线程安全性，这种问题就叫做自旋锁的ABA问题，例如：
ABA问题一般存在于链表、栈这类的并发数据结构中。从上面的例子中可以看出，由于ABA问题，最后的结果是，在特定的条件下，一个ACD栈（三个元素），经过一个pop操作（线程1）变成了B（一个元素），这显然不是线程安全的。
下面的代码中，我模拟了这个例子（其中很多地方并未充分考虑并发的正确性，主要是为了展示ABA问题）：
public class ABAProblem {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyStack stack = new MyStack<>();
stack.push("B");
stack.push("A");
System.out.println("Stack init:" + stack);
ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName("Thread1");
stack.pop();
System.out.println("Thread1 pop :" + stack);
}
});
service.execute(new Runnable() {
@Override
public void run() {
Thread.currentThread().setName("Thread2");
Node A = stack.pop();
System.out.println("Thread2 pop :" + stack);
stack.pop();
System.out.println("Thread2 pop :" + stack);
stack.push("D");
System.out.println("Thread2 push D:" + stack);
stack.push("C");
System.out.println("Thread2 push C:" + stack);
stack.push(A);
System.out.println("Thread2 push A:" + stack);
}
});
service.shutdown();
service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
System.out.println("Stack result:" + stack);
}
static class MyStack {
AtomicReference> head = new AtomicReference<>(null);
public void push(T value) {
Node node = new Node<>(value);
push(node);
}
public void push(Node node) {
for (; ; ) {
Node tmpHead = head.get();
if (head.compareAndSet(tmpHead, node)) {
node.setNext(tmpHead);
return;
}
}
}
public Node pop() {
for (; ; ) {
Node node = head.get();
if (node == null) {
return null;
}
Node nextNode = node.getNext();
// add this sleep to cause ABA problem
if (Thread.currentThread().getName().equals("Thread1")) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (head.compareAndSet(node, nextNode)) {
return node;
}
}
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
Node node = head.get();
while (node != null) {
sb.append(node.getValue());
if (node.getNext() != null) {
sb.append(",");
}
node = node.getNext();
}
sb.append("]");
return sb.toString();
}
}
private static class Node {
private T value;
private Node next;
public Node(T value) {
this.value = value;
}
public Node getNext() {
return next;
}
public void setNext(Node next) {
this.next = next;
}
public T getValue() {
return value;
}
public void setValue(T value) {
this.value = value;
}
}
} 运行结果是：
Stack init:[A,B]
Thread2 pop :[B]
Thread2 pop :[]
Thread2 push D:[D]
Thread2 push C:[C,D]
Thread2 push A:[A,C,D]
Thread1 pop :[B]
Stack result:[B]代码中的push和pop方法都用无限循环的for语句实现，这也是并发中的常见写法，与前面类似自旋锁的while语句实现类似的功能，但由于不需要定义一个boolean变量，因此更加简洁。为了保证ABA问题一定出现，我特意插入了一个针对特定线程的sleep语句。在现实中，出现ABA的几率其实是很小的。
8.2 用AtomicStampedReference解决ABA问题
ABA问题的实质是：在并发编程中，仅靠检查变量的值是无法知道这个变量是否被改动过的，还要加上一个版本号（当变量改变就改变其版本号）才能确定变量保持不变。AtomicStampedReference实现了此功能，它保存变量引用的同时，还赋予此变量一个版本号。每当变量改动时（这个改动是程序员自定义的，例如存储的数值改变，或者是变量在内存中的位置移动了，或者是变量在某一个数据结构中被移动了），AtomicStampedReference可以同时改动版本号；因此在进行CAS操作时，同时检查引用和版本号，只有同时符合才能成功。如此变可以确保ABA问题不会发生了。
代码进行如下改动（仅改动MyStack）：
static class MyStack {
//initialStamp = 0
AtomicStampedReference> head = new AtomicStampedReference<>(null, 0);
public void push(T value) {
Node node = new Node<>(value);
push(node);
}
public void push(Node node) {
for (; ; ) {
Node tmpHead = head.getReference();
int stamp = head.getStamp();
if (head.compareAndSet(tmpHead, node, stamp, stamp + 1)) {
node.setNext(tmpHead);
return;
}
}
}
public Node pop() {
for (; ; ) {
Node node = head.getReference();
int stamp = head.getStamp();
if (node == null) {
return null;
}
Node nextNode = node.getNext();
// add this sleep to cause ABA problem
if (Thread.currentThread().getName().equals("Thread1")) {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
if (head.compareAndSet(node, nextNode, stamp, stamp + 1)) {
return node;
}
}
}
@Override
public String toString() {
StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
Node node = head.getReference();
while (node != null) {
sb.append(node.getValue());
if (node.getNext() != null) {
sb.append(",");
}
node = node.getNext();
}
sb.append("]");
return sb.toString();
}
} 在每次改动head保存的变量时，都同时给版本号加1，这样就避免了ABA问题的发生，运行结果如下：
Stack init:[A,B]
Thread2 pop :[B]
Thread2 pop :[]
Thread2 push D:[D]
Thread2 push C:[C,D]
Thread2 push A:[A,C,D]
Thread1 pop :[C,D]
Stack result:[C,D]另外值得一提的是，AtomicStampedReference还有一个简化版AtomicMarkableReference，它保存的版本号是一个boolean值，适用于某些简化的情景下。
9. 小结
所谓“线程安全的”，就是在并发环境下能够保持运行结果不变。除了原始的synchronize阻塞方法外，使用原子性的语句能够在保持线程安全的前提下提供更好的性能。原子性的基础是CAS语句，而它则是由Unsafe类提供的。有了此利器，JDK提供了AtomicInteger、AtomicBoolean和AtomicLong等类来实现整形、布尔型和长整型变量的原子增减操作；提供了AtomicReference来实现引用类型的原子操作；提供了AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater和AtomicReferenceFieldUpdater来实现原有类中某个属性的原子更新操作；提供了AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray等原子数组，数组中每个元素在改变时都可以保持原子性。为了避免ABA问题，提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference。