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原子类操作

程序员文章站 2024-03-14 11:05:52
...

常用原子类

Java中的原子操作类大致可以分为4类:原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念,有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。
原子类操作
在JDK7,java原子类有12个,图片如下

原子类操作
在JDK8时出现了4个原子操作类,分别是如下图片所示

原子类操作

基本原子类

布尔型:AtomicBoolean
整型:AtomicInteger
长整形:AtomicLong
布尔型与整形类似,通过操作0和1实现

以上3个类提供的方法几乎一模一样,以AtomicInteger为例进行详解,AtomicIngeter的常用方法如下:

int addAndGet(int delta): 以原子的方式将输入的数值与实例中的值相加,并返回结果。
boolean compareAndSet(int expect, int update): 如果输入的值等于预期值,则以原子方式将该值设置为输入的值。
int getAndIncrement(): 以原子的方式将当前值加 1,注意,这里返回的是自增前的值,也就是旧值。
void lazySet(int newValue): 最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后,可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
int getAndSet(int newValue): 以原子的方式设置为newValue,并返回旧值。

public class AtomicIntegerTest {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args){
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        System.out.println(atomicInteger.get());
        System.out.println(atomicInteger.getAndSet(5));
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }

}

输出结果如下:

1
2
2
5

getAndIncremen是如何实现原子操作的呢?让我们看一下getAndIncremen的实现代码,并分析实现原理。getAndIncremen的实现代码如下:

public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
  我们可以看到getAndIncrement调用了unsafe的getAndAddInt,getAndAddInt的实现:

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;
    }

getAndAddInt调用了Unsafe的native方法:getIntVolatile和compareAndSwapInt,在do-while循环中先取得当前值,然后通过CAS判断当前值是否和current一致,如果一致意味着值没被其他线程修改过,把当前值设置为当前值+var4,,如果不相等程序进入信的CAS循环。

由于atomic只提供了int,long和boolean的原子操作类,那么其他的基本类型,如byte,char,float,double如何实现原子操作呢,原子操作都是通过Unsafe实现的,让我们看一下Unsafe的实现

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);

通过代码,我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法:compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong,再看AtomicBoolean源码,发现它是先把Boolean转换成整型,再使用compareAndSwapInt进行CAS,所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现(如何实现???)。

数组原子类

整型数组:AtomicIntegerArray
长整型数组:AtomicLongArray
引用型数组:AtomicReferenceArray
这三个类的最常用的方法是如下两个方法:

get(int index):获取索引为index的元素值。
compareAndSet(int i, int expect, int update): 如果当前值等于预期值,则以原子方式将数组位置 i 的元素设置为update值。

下面以 AtomicIntegerArray 举例如下

public class AtomicIntegerArrayTest {
    private static int[] value = new int[]{1,2,3};
    private static AtomicIntegerArray atomicInteger = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args){
        atomicInteger.getAndSet(0,12);
        System.out.println(atomicInteger.get(0));
        System.out.println(value[0]);

        atomicInteger.compareAndSet(1,2,4);
        System.out.println(atomicInteger.get(1));
    }
}
}

结果:
12
1
4
需要注意的是,数组value通过构造方法传递进去,然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份,所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时,不会影响传入的数组。

引用原子类

AtomicReference:原子更新引用类型。
AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用类型的字段。
AtomicMarkableReference:原子更新带有标记位的引用类型。可以原子的更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)

public class AtomicReferenceTest {

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

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("tom",23);
        reference.set(user);
        User updateUser = new User("ketty",34);
        reference.compareAndSet(user,updateUser);
        System.out.println(reference.get().getName());
        System.out.println(reference.get().getAge());
    }


    static class User{

        private String name;
        private int age;

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

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }
    }
}

上述代码中首先创建一个user对象,然后把user对象设置进AtomicReference中,最后通过compareAndSet做原子更新操作
运行结果如下:
ketty
34

字段原子类

AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型的字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整型字段的更新器。
AtomicStampedReference:原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来,可用于原子的更数据和数据的版本号,可以解决使用CAS进行原子更新时,可能出现的ABA问题
想要原子的更新字段,需要两个步骤:

1.因为原子更新字段类都是抽象类,每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器,并且需要设置想要更新的类和属性

2.更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符

本节仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解,AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下:

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    //创建原子更新器
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("ketty",21);
        //ketty长了一岁
        updater.getAndIncrement(user);
        System.out.println(updater.get(user));
    }

    static class User{

        private String name;
        public volatile int age;

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

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }
    }
}

如果age的修饰符号不是 public volatile,回报一下错误:

Exception in thread “main” java.lang.ExceptionInInitializerError

JDK8新增原子类简介

DoubleAccumulator
LongAccumulator
DoubleAdder
LongAdder
下面以 LongAdder 为例介绍一下,并列出使用注意事项

这些类对应把 AtomicLong 等类的改进。比如 LongAccumulator 与 LongAdder 在高并发环境下比 AtomicLong 更高效。

Atomic、Adder在低并发环境下,两者性能很相似。但在高并发环境下,Adder 有着明显更高的吞吐量,但是有着更高的空间复杂度。

LongAdder其实是LongAccumulator的一个特例,调用LongAdder相当使用下面的方式调用LongAccumulator。

sum() 方法在没有并发的情况下调用,如果在并发情况下使用会存在计数不准,下面有代码为例。

LongAdder不可以代替AtomicLong ,虽然 LongAdder 的 add() 方法可以原子性操作,但是并没有使用 Unsafe 的CAS算法,只是使用了CAS的思想。

LongAdder其实是LongAccumulator的一个特例,调用LongAdder相当使用下面的方式调用LongAccumulator,LongAccumulator提供了比LongAdder更强大的功能,构造函数其中accumulatorFunction一个双目运算器接口,根据输入的两个参数返回一个计算值,identity则是LongAccumulator累加器的初始值。
参考:
关于更多jdk8新增原子类的学习,推荐看下面几个文章,我也是跟着他们学的。

https://blog.csdn.net/zhailuxu/article/details/79073469

https://blog.csdn.net/yao123long/article/details/63683991

https://blog.csdn.net/panweiwei1994/article/details/78739264

https://blog.csdn.net/zhailuxu/article/details/79073473?utm_source=blogxgwz9

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