Java原子操作类，你知道多少?

原子操作类简介

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 更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。 atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据，在java中则是使用cas操作具体实现。

cas

随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略： 先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施（不断地重试，直到成功为止）。 这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。 乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。 硬件支持的原子性操作最典型的是：比较并交换（compare-and-swap，cas）。 cas 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 v、旧的预期值 a 和新值 b。 当执行操作时，只有当 v 的值等于 a，才将 v 的值更新为 b。

//著名的cas
//var1是比较值所属的对象，var2需要比较的值（但实际是使用地址偏移量来实现的），
//如果var1对象中偏移量为var2处的值等于var4，那么将该处的值设置为var5并返回true，如果不等于var4则返回false。
public final native boolean compareandswapint(object var1, long var2, int var4, int var5);

• cas的问题

1.aba问题

如果一个变量初次读取的时候是 a 值，它的值被改成了 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。

j.u.c 包提供了一个带有标记的原子引用类 atomicstampedreference 来解决这个问题， 它可以通过控制变量值的版本来保证 cas 的正确性。 大部分情况下 aba 问题不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。

2.自旋时间长开销大

自旋cas（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给cpu带来非常大的执行开销。 如果jvm能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用， 第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使cpu不会消耗过多的执行资源， 延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。 第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation） 而引起cpu流水线被清空（cpu pipeline flush），从而提高cpu的执行效率。

3.只能保证一个共享变量的原子操作 cas只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时cas无效。 但是从 jdk 1.5开始，提供了atomicreference类来保证引用对象之间的原子性， 可以把多个变量封装成对象里来进行 cas 操作. 所以我们可以使用锁或者利用atomicreference类把多个共享变量封装成一个共享变量来操作。

• synchronized vs cas

元老级的synchronized(未优化前)最主要的问题是： 在存在线程竞争的情况下会出现线程阻塞和唤醒锁带来的性能问题，因为这是一种互斥同步(阻塞同步)。 而cas并不是武断的将线程挂起，当cas操作失败后会进行一定的尝试，而不是进行耗时的挂起唤醒的操作， 因此也叫做非阻塞同步。这是两者主要的区别。

原子更新基本类

atomic包提高原子更新基本类的工具类，如下：

atomicboolean //以原子更新的方式更新boolean

atomicintege //以原子更新的方式更新integer

atomiclong //以原子更新的方式更新long

• 以atomicinteger为例总结常用的方法:

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

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

getandset(int newvalue) //将实例中的值更新为新值，并返回旧值

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

atomicinteger的getandincrement()方法源码如下：

public final int getandincrement() {
    return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1);
}

实际上是调用了unsafe实例的getandaddint方法，unsafe实例的获取时通过unsafe类的静态方法getunsafe获取：

private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();
public class atomicintegerdemo {
    // 请求总数
    public static int clienttotal = 5000;

    // 同时并发执行的线程数
    public static int threadtotal = 200;

    //java.util.concurrent.atomic.atomicinteger;
    public static atomicinteger count = new atomicinteger(0);

    public static void main(string[] args) throws interruptedexception {
        executorservice executorservice = executors.newcachedthreadpool();
        //semaphore和countdownlatch模拟并发
        final semaphore semaphore = new semaphore(threadtotal);
        final countdownlatch countdownlatch = new countdownlatch(clienttotal);
        for (int i = 0; i < clienttotal ; i++) {
            executorservice.execute(() -> {
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (exception e) {
                    e.printstacktrace();
                }
                countdownlatch.countdown();
            });
        }
        countdownlatch.await();
        executorservice.shutdown();
        system.out.println("count:{"+count.get()+"}");
    }

    public static void add() {
        count.incrementandget();
    }
}

 

输出结果：

count:{5000}

 

atomiclong的实现原理和atomicinteger一致，只不过一个针对的是long变量，一个针对的是int变量。 而boolean变量的更新类atomicboolean类是怎样实现更新的呢?核心方法是compareandset()方法，其源码如下：

public final boolean compareandset(boolean expect, boolean update) {
    int e = expect ? 1 : 0;
    int u = update ? 1 : 0;
    return unsafe.compareandswapint(this, valueoffset, e, u);
}

 

可以看出，compareandset方法的实际上也是先转换成0,1的整型变量， 然后是通过针对int型变量的原子更新方法compareandswapint来实现的。 可以看出atomic包中只提供了对boolean,int ,long这三种基本类型的原子更新的方法， 参考对boolean更新的方式，原子更新char,doule,float也可以采用类似的思路进行实现。

原子更新数组

atomic包下提供能原子更新数组中元素的类有：

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：

getandadd(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

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

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

可以看出，atomicintegerarray与atomicinteger的方法基本一致， 只不过在atomicintegerarray的方法中会多一个指定数组索引位i。

public class atomicintegerarraydemo {
    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1的位置的元素加5
        int result = integerarray.getandadd(1, 5);
        system.out.println(integerarray.get(1));
        system.out.println(result);
    }
}

 

输出结果：

7
2

 

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：

atomicreference //原子更新引用类型

atomicreferencefieldupdater //原子更新引用类型里的字段

atomicmarkablereference //原子更新带有标记位的引用类型

这几个类的使用方法也是基本一样的，以atomicreference为例。

public class atomicreferencedemo {

    private static atomicreference<user> 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 +
                    '}';
        }
    }
}

 

输出结果：

user{username='a', age=1}
user{username='b', age=2}

 

首先将对象user1用atomicreference进行封装，然后调用getandset方法， 从结果可以看出，该方法会原子更新引用的user对象， 变为user{username='b', age=2}，返回的是原来的user对象user{username='a', age=1}。

原子更新字段类型

如果需要更新对象的某个字段，并在多线程的情况下，能够保证线程安全，atomic同样也提供了相应的原子操作类：

atomicintegefieldupdater //原子更新整型字段类

atomiclongfieldupdater //原子更新长整型字段类

atomicstampedreference //原子更新引用类型，这种更新方式会带有版本号。
// 而为什么在更新的时候会带有版本号，是为了解决cas的aba问题；

要想使用原子更新字段需要两步操作：

• 原子更新字段类都是抽象类，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

这几个类提供的方法基本一致，以atomicintegerfieldupdater为例。

public class atomicintegerfieldupdaterdemo {
    private static atomicintegerfieldupdater updater =
        atomicintegerfieldupdater.newupdater(user.class,"age");
    
    public static void main(string[] args) {
        user user = new user("a", 1);
        int oldvalue = updater.getandadd(user, 5);
        system.out.println(oldvalue);
        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 +
                    '}';
        }
    }
}

 

输出结果：

1
6

 

创建atomicintegerfieldupdater是通过它提供的静态方法进行创建， getandadd方法会将指定的字段加上输入的值，并且返回相加之前的值。 user对象中age字段原值为1，加5之后，可以看出user对象中的age字段的值已经变成了6。

 

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