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Java 原子操作類之18羅漢增強類

開發(fā) 前端
AtomicInteger、AtomicBoolean等java.util.concurrent包下面的類,但是這個只能并發(fā)修改一個屬性,如果我需要對多個屬性同時進行并發(fā)修改,并且保證原子性呢?

Java開發(fā)手冊

17.【參考】volatile 解決多線程內(nèi)存不可見問題對于一寫多讀,是可以解決變量同步問題,但是如果多

寫,同樣無法解決線程安全問題。

說明:如果是 count++操作,使用如下類實現(xiàn):

AtomicInteger count = new AtomicInteger();

count.addAndGet(1);

如果是 JDK8,推薦使用 LongAdder 對象,比 AtomicLong 性能更好(減少樂觀鎖的重試次數(shù))

基本類型原子類

  • AtomicInteger
  • AtomicBoolean
  • AtomicLong

常用API簡介

  • public final int get() //獲取當前的值
  • public final int getAndSet(int newValue)//獲取當前的值,并設置新的值
  • public final int getAndIncrement()//獲取當前的值,并自增
  • public final int getAndDecrement() //獲取當前的值,并自減
  • public final int getAndAdd(int delta) //獲取當前的值,并加上預期的值
  • boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果輸入的數(shù)值等于預期值,則以原子方式將該值設置為輸入值(update)

舉個栗子

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

class MyNumber {

    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    public void addPlusPlus(){
        atomicInteger.incrementAndGet();
    }
}


public class AtomicIntegerDemo {

    public static final int SIZE = 50;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        MyNumber myNumber = new MyNumber();

        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(SIZE);
        for (int i = 1; i <= SIZE; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 1 ;j <=1000; j++) {
                        myNumber.addPlusPlus();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    countDownLatch.countDown();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        countDownLatch.await();

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---result : "+myNumber.atomicInteger.get());


    }
}

上述案例使用的AtomicInteger進行的類似累加的操作,底層使用的volatile來實現(xiàn)的,已經(jīng)保障了可見性,所以數(shù)據(jù)一定是正確的。

之所以是CountDownLatch 是為了保障main線程輸出結(jié)果的時候,所有的線程都已經(jīng)完成了計算。

數(shù)組類型原子類

  • AtomicIntegerArray
  • AtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray

demo

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;


public class AtomicIntegerArrayDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(5);

        for (int i = 0; i <atomicIntegerArray.length(); i++) {
            System.out.println(atomicIntegerArray.get(i));
        }
        System.out.println();
        System.out.println();
        System.out.println();
        int tmpInt = 0;

        tmpInt = atomicIntegerArray.getAndSet(0,1122);
        System.out.println(tmpInt+"\t"+atomicIntegerArray.get(0));
        atomicIntegerArray.getAndIncrement(1);
        atomicIntegerArray.getAndIncrement(1);
        tmpInt = atomicIntegerArray.getAndIncrement(1);
        System.out.println(tmpInt+"\t"+atomicIntegerArray.get(1));

    }
}

引用類型原子類

  • AtomicReference
  • AtomicStampedReference
  • AtomicMarkableReference

AtomicReference

使用場景

解決并發(fā)修改多個屬性

AtomicInteger、AtomicBoolean等java.util.concurrent包下面的類,但是這個只能并發(fā)修改一個屬性,如果我需要對多個屬性同時進行并發(fā)修改,并且保證原子性呢?

AtomicReference和AtomicInteger非常類似,不同之處就在于AtomicInteger是對整數(shù)的封裝,而AtomicReference則對應普通的對象引用,是操控多個屬性的原子性的并發(fā)類。

舉個栗子

public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        User z3 = new User("z3",24);
        User li4 = new User("li4",26);

        AtomicReference<User> atomicReferenceUser = new AtomicReference<>();

        atomicReferenceUser.set(z3);

        System.out.println(atomicReferenceUser.compareAndSet(z3,li4)+"\t"+atomicReferenceUser.get().toString());
        System.out.println(atomicReferenceUser.compareAndSet(z3,li4)+"\t"+atomicReferenceUser.get().toString());

    }
}

使用AtomicReference實現(xiàn)CAS

/**
 * 題目:實現(xiàn)一個自旋鎖
 * 自旋鎖好處:循環(huán)比較獲取沒有類似wait的阻塞。
 *
 * 通過CAS操作完成自旋鎖,A線程先進來調(diào)用myLock方法自己持有鎖5秒鐘,B隨后進來后發(fā)現(xiàn)
 * 當前有線程持有鎖,不是null,所以只能通過自旋等待,直到A釋放鎖后B隨后搶到。
 */
public class SpinLockDemo {
    AtomicReference<Thread> atomicReference = new AtomicReference<>();

    public void MyLock() {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---come in");
        while(!atomicReference.compareAndSet(null,Thread.currentThread())) {

        }
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---持有鎖成功");
    }

    public void MyUnLock() {
        atomicReference.compareAndSet(Thread.currentThread(),null);
        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---釋放鎖成功");
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpinLockDemo spinLockDemo = new SpinLockDemo();

        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.MyLock();
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(5); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            spinLockDemo.MyUnLock();
        },"t1").start();

        new Thread(() -> {
            spinLockDemo.MyLock();
            spinLockDemo.MyUnLock();
        },"t2").start();
    }
}

AtomicStampedReference

攜帶版本號的引用類型原子類,可以解決ABA問題

demo

public class ABADemo {
    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(100);
    static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(100,1);

    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---默認版本號: "+stamp);
            //讓后面的t4獲得和t3一樣的版本號,都是1,好比較
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

            atomicStampedReference.compareAndSet(100,101,stamp,stamp+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---1次版本號: "+atomicStampedReference.getStamp());
            atomicStampedReference.compareAndSet(101,100,atomicStampedReference.getStamp(),atomicStampedReference.getStamp()+1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---2次版本號: "+atomicStampedReference.getStamp());
        },"t3").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---默認版本號: "+stamp);
            //上前面的t3完成ABA問題
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            boolean result = atomicStampedReference.compareAndSet(100, 20210308, stamp, stamp + 1);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---操作成功否:"+result+"\t"+atomicStampedReference.getStamp()+"\t"+atomicStampedReference.getReference());
        },"t4").start();
    }

    public static void abaProblem() {
        new Thread(() -> {
            atomicInteger.compareAndSet(100,101);
            atomicInteger.compareAndSet(101,100);
        },"t1").start();

        //暫停毫秒
        try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        new Thread(() -> {
            boolean b = atomicInteger.compareAndSet(100, 20210308);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"修改成功否:"+b+"\t"+atomicInteger.get());
        },"t2").start();
    }
}

AtomicMarkableReference

原子更新帶有標記位的引用類型對象,它的定義就是將狀態(tài)戳簡化為true|false,

可以理解為上面AtomicStampedReference的簡化版,就是不關(guān)心修改過幾次,僅僅關(guān)心是否修改過。因此變量mark是boolean類型,僅記錄值是否有過修改。不建議使用。

demo

public class ABADemo {

    static AtomicMarkableReference markableReference = new AtomicMarkableReference(100,false);

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println("============AtomicMarkableReference不關(guān)心引用變量更改過幾次,只關(guān)心是否更改過======================");

        new Thread(() -> {
            boolean marked = markableReference.isMarked();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 1次版本號"+marked);
            try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            markableReference.compareAndSet(100,101,marked,!marked);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 2次版本號"+markableReference.isMarked());
            markableReference.compareAndSet(101,100,markableReference.isMarked(),!markableReference.isMarked());
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 3次版本號"+markableReference.isMarked());
        },"t5").start();

        new Thread(() -> {
            boolean marked = markableReference.isMarked();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t 1次版本號"+marked);
            //暫停幾秒鐘線程
            try { TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(3000); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            markableReference.compareAndSet(100,2020, marked, !marked);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+markableReference.getReference()+"\t"+markableReference.isMarked());
        },"t6").start();
    }
}

對象的屬性修改原子類

  • AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新對象中int類型字段的值
  • AtomicLongFieldUpdater:原子更新對象中Long類型字段的值
  • AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用類型字段的值

為什么有這些東西?

使用目的:以一種線程安全的方式操作非線程安全對象內(nèi)的某些字段。

使用要求

  1. 更新的對象屬性必須使用 public volatile 修飾符。
  2. 因為對象的屬性修改類型原子類都是抽象類,所以每次使用都必須使用靜態(tài)方法newUpdater()創(chuàng)建一個更新器,并且需要設置想要更新的類和屬性。

demo

AtomicIntegerFieldUpdaterDemo

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

class BankAccount {
    String bankName = "ccb";

    //以一種線程安全的方式操作非線程安全對象內(nèi)的某些字段

    //1 更新的對象屬性必須使用 public volatile 修飾符。
    public volatile int money = 0;

    //2 因為對象的屬性修改類型原子類都是抽象類,所以每次使用都必須
    // 使用靜態(tài)方法newUpdater()創(chuàng)建一個更新器,并且需要設置想要更新的類和屬性。
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<BankAccount> FieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(BankAccount.class,"money");

    public void transfer(BankAccount bankAccount) {
        FieldUpdater.incrementAndGet(bankAccount);
    }
}


public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        BankAccount bankAccount = new BankAccount();

        for (int i = 1; i <=1000; i++) {
            new Thread(() -> {
                bankAccount.transfer(bankAccount);
            },String.valueOf(i)).start();
        }

        //暫停幾秒鐘線程
        try { TimeUnit.SECONDS.sleep(1); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }

        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---bankAccount: "+bankAccount.money);
    }
}

AtomicReferenceFieldUpdater

package com.atguigu.juc.atomics;

import lombok.Data;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

@Data
class MyVar {
    public volatile String isInit = "111";
    private static final AtomicReferenceFieldUpdater<MyVar,String> FieldUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(MyVar.class,String.class,"isInit");

    public void init(MyVar myVar) {
        if(FieldUpdater.compareAndSet(myVar,"111", "222")) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---start init");
            try { TimeUnit.SECONDS.sleep(3); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---end init -- " + myVar.getIsInit());
        }else{
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"\t"+"---搶奪失敗,已經(jīng)有線程在修改中 --" + myVar.getIsInit());
        }
    }

}


/**
 * 
 *  多線程并發(fā)調(diào)用一個類的初始化方法,如果未被初始化過,將執(zhí)行初始化工作,要求只能初始化一次
 */
public class AtomicReferenceFieldUpdaterDemo {
    public static void main(String[] args) {
        MyVar myVar = new MyVar();
        for (int i = 1; i <=5; i++) {
            new Thread(() -> {
                myVar.init(myVar);
            },String.valueOf(i)).start();
        }
    }
}

關(guān)聯(lián)面試題

  1. 面試官問你:你在哪里用了volatile :AtomicReferenceFieldUpdater :
  2. 既然已經(jīng)有了AtomicInteger,為什么又多此一舉弄出個AtomicIntegerFieldUpdater來呢?其實主要有兩方面原因:
  1. 要使用AtomicInteger需要修改代碼,將原來int類型改造成AtomicInteger,使用該對象的地方都要進行調(diào)整(多進行一次get()操作獲取值),但是有時候代碼不是我們想改就能改動的。
  2. 也是比較重要的一個特性,AtomicIntegerFieldUpdater可以節(jié)省內(nèi)存消耗。
  3. 引用:https://juejin.cn/post/6907610980428021773#comment

原子操作增強類

分類

  • DoubleAccumulator
  • DoubleAdder
  • LongAccumulator
  • LongAdder

前言

  1. 熱點商品點贊計算器,點贊數(shù)加加統(tǒng)計,不要求實時精確
  2. 一個很大的List,里面都是int類型,如何實現(xiàn)加加,說說思路

入門講解

  • LongAdder只能用來計算加法,且從零開始計算
  • LongAccumulator 提供了自定義的函數(shù)操作

demo

import java.util.concurrent.atomic.LongAccumulator;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;
import java.util.function.LongBinaryOperator;

public class LongAdderAPIDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LongAdder longAdder = new LongAdder();//只能做加法

        longAdder.increment();
        longAdder.increment();
        longAdder.increment();

        System.out.println(longAdder.longValue());

        LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator((left, right) -> left - right, 100);

        longAccumulator.accumulate(1);//1
        longAccumulator.accumulate(2);//3
        longAccumulator.accumulate(3);//6

        System.out.println(longAccumulator.longValue());


    }
}

demo--LongAdder高性能對比Code

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAccumulator;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

class ClickNumber {
    int number = 0;
    public synchronized void add_Synchronized() {
        number++;
    }

    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    public void add_AtomicInteger() {
        atomicInteger.incrementAndGet();
    }

    AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
    public void add_AtomicLong() {
        atomicLong.incrementAndGet();
    }

    LongAdder longAdder = new LongAdder();
    public void add_LongAdder() {
        longAdder.increment();
        //longAdder.sum();
    }

    LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator(Long::sum,0);
    public void add_LongAccumulator() {
        longAccumulator.accumulate(1);
    }

}


/**
 *
 *  50個線程,每個線程100W次,總點贊數(shù)出來
 */
public class LongAdderCalcDemo {

    public static final int SIZE_THREAD = 50;
    public static final int _1W = 10000;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        ClickNumber clickNumber = new ClickNumber();
        long startTime;
        long endTime;

        CountDownLatch countDownLatch1 = new CountDownLatch(SIZE_THREAD);
        CountDownLatch countDownLatch2 = new CountDownLatch(SIZE_THREAD);
        CountDownLatch countDownLatch3 = new CountDownLatch(SIZE_THREAD);
        CountDownLatch countDownLatch4 = new CountDownLatch(SIZE_THREAD);
        CountDownLatch countDownLatch5 = new CountDownLatch(SIZE_THREAD);
        //========================

        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 1; i <=SIZE_THREAD; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 1; j <=100 * _1W; j++) {
                        clickNumber.add_Synchronized();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    countDownLatch1.countDown();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch1.await();
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("----costTime: "+(endTime - startTime) +" 毫秒"+"\t add_Synchronized"+"\t"+clickNumber.number);


        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 1; i <=SIZE_THREAD; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 1; j <=100 * _1W; j++) {
                        clickNumber.add_AtomicInteger();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    countDownLatch2.countDown();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch2.await();
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("----costTime: "+(endTime - startTime) +" 毫秒"+"\t add_AtomicInteger"+"\t"+clickNumber.atomicInteger.get());

        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 1; i <=SIZE_THREAD; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 1; j <=100 * _1W; j++) {
                        clickNumber.add_AtomicLong();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    countDownLatch3.countDown();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch3.await();
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("----costTime: "+(endTime - startTime) +" 毫秒"+"\t add_AtomicLong"+"\t"+clickNumber.atomicLong.get());

        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 1; i <=SIZE_THREAD; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 1; j <=100 * _1W; j++) {
                        clickNumber.add_LongAdder();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    countDownLatch4.countDown();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch4.await();
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("----costTime: "+(endTime - startTime) +" 毫秒"+"\t add_LongAdder"+"\t"+clickNumber.longAdder.longValue());

        startTime = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 1; i <=SIZE_THREAD; i++) {
            new Thread(() -> {
                try {
                    for (int j = 1; j <=100 * _1W; j++) {
                        clickNumber.add_LongAccumulator();
                    }
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }finally {
                    countDownLatch5.countDown();
                }
            },String.valueOf(i)).start();
        }
        countDownLatch5.await();
        endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("----costTime: "+(endTime - startTime) +" 毫秒"+"\t add_LongAccumulator"+"\t"+clickNumber.longAccumulator.longValue());
    }
}

結(jié)果

源碼、原理分析

官方api

這個類是通常優(yōu)選AtomicLong當多個線程更新時使用,用于諸如收集統(tǒng)計信息,不用于細粒度同步控制的共同總和。 在低更新爭議下,這兩類具有相似的特征。 但是,在高度爭議的情況下,這一類的預期吞吐量明顯高于犧牲更高的空間消耗。

LongAdder是Striped64的子類,Striped64有幾個比較重要的成員函數(shù)

  • base變量:非競爭狀態(tài)條件下,直接累加到該變量上
  • Cell[ ]數(shù)組:競爭條件下(高并發(fā)下),累加各個線程自己的槽Cell[i]中
/** Number of CPUS, to place bound on table sizeCPU數(shù)量,即cells數(shù)組的最大長度 */
static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();

/**
 * Table of cells. When non-null, size is a power of 2.
cells數(shù)組,為2的冪,2,4,8,16.....,方便以后位運算
 */
transient volatile Cell[] cells;

/**基礎(chǔ)value值,當并發(fā)較低時,只累加該值主要用于沒有競爭的情況,通過CAS更新。
 * Base value, used mainly when there is no contention, but also as
 * a fallback during table initialization races. Updated via CAS.
 */
transient volatile long base;

/**創(chuàng)建或者擴容Cells數(shù)組時使用的自旋鎖變量調(diào)整單元格大?。〝U容),創(chuàng)建單元格時使用的鎖。
 * Spinlock (locked via CAS) used when resizing and/or creating Cells. 
 */
transient volatile int cellsBusy;

cell 是java.util.concurrent.atomic 下 Striped64 的一個內(nèi)部類

LongAdder為什么這么快-分散熱點

LongAdder在無競爭的情況,跟AtomicLong一樣,對同一個base進行操作。

當出現(xiàn)競爭關(guān)系時則采用化整為零的做法,用空間換時間,用一個數(shù)組cells將一個value拆分進這個數(shù)組cells。多個線程需要同時對value進行操作時候,

對線程id進行hash,再根據(jù)hash值映射到這個數(shù)組cells的某個下標,再對該下標所對應的值進行自增操作。當所有線程操作完畢,將數(shù)組cells的所有值和無競爭值base都加起來作為最終結(jié)果。

sum( )會將所有cell數(shù)組中的value和base累加作為返回值,核心的思想就是將之前AtomicLong一個value的更新壓力分散到多個value中去,從而降級更新熱點。

責任編輯:武曉燕 來源: 今日頭條
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