死磕Java并發(fā) | 常用并發(fā)原子類詳解
一、簡(jiǎn)介
在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底層鎖、并發(fā)同步等工具類以外，還提供了一組原子操作類，大多以Atomic開頭，他們位于java.util.concurrent.atomic包下。
所謂原子類操作，顧名思義，就是這個(gè)操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗，是保證并發(fā)編程安全的重要一環(huán)。
相比通過synchronized和lock等方式實(shí)現(xiàn)的線程安全同步操作，原子類的實(shí)現(xiàn)機(jī)制則完全不同。它采用的是通過無鎖（lock-free）的方式來實(shí)現(xiàn)線程安全（thread-safe）訪問，底層原理主要基于CAS操作來實(shí)現(xiàn)。
某些業(yè)務(wù)場(chǎng)景下，通過原子類來操作，既可以實(shí)現(xiàn)線程安全的要求，又可以實(shí)現(xiàn)高效的并發(fā)性能，同時(shí)編程方面更加簡(jiǎn)單。
下面我們一起來看看它的具體玩法！
二、常用原子操作類
在java.util.concurrent.atomic包中，因?yàn)樵宇惐姸?，如果按照類型進(jìn)行劃分，可以分為五大類，每個(gè)類型下的原子類可以用如下圖來概括（不同 JDK 版本，可能略有不同，本文主要基于 JDK 1.8 進(jìn)行采樣）。
圖片
雖然原子操作類很多，但是大體的用法基本類似，只是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了單獨(dú)適配，這些原子類都可以保證多線程下數(shù)據(jù)的安全性，使用起來也比較簡(jiǎn)單。
2.1、基本類型
基本類型的原子類，也是最常用的原子操作類，JDK為開發(fā)者提供了三個(gè)基礎(chǔ)類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicBoolean：布爾類型的原子操作類
- AtomicInteger：整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicLong：長(zhǎng)整數(shù)類型的原子操作類
以AtomicInteger為例，常用的操作方法如下：
方法 | 描述 |
| 獲取當(dāng)前值 |
| 設(shè)置 value 值 |
| 先取得舊值，然后加1，最后返回舊值 |
| 先取得舊值，然后減1，最后返回舊值 |
| 加1，然后返回新值 |
| 減1，然后返回新值 |
| 先取得舊值，然后增加指定值，最后返回舊值 |
| 增加指定值，然后返回新值 |
| 直接使用CAS方式，將【舊值】更新成【新值】，核心方法 |
AtomicInteger的使用方式非常簡(jiǎn)單，使用示例如下：
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
// 先獲取值，再自增，默認(rèn)初始值為0
int v1 = atomicInteger.getAndIncrement();
System.out.println("v1：" + v1);
// 獲取自增后的ID值
int v2 = atomicInteger.incrementAndGet();
System.out.println("v2：" + v2);
// 獲取自減后的ID值
int v3 = atomicInteger.decrementAndGet();
System.out.println("v3：" + v3);
// 使用CAS方式，將就舊值更新成 10
boolean v4 = atomicInteger.compareAndSet(v3,10);
System.out.println("v4：" + v4);
// 獲取最新值
int v5 = atomicInteger.get();
System.out.println("v5：" + v5);輸出結(jié)果：
v1：0
v2：2
v3：1
v4：true
v5：10下面我們以對(duì)某個(gè)變量累加 10000 次為例，采用 10 個(gè)線程，每個(gè)線程累加 1000 次來實(shí)現(xiàn)，對(duì)比不同的實(shí)現(xiàn)方式執(zhí)行結(jié)果的區(qū)別（預(yù)期結(jié)果值為 10000）。
方式一：線程不安全操作實(shí)現(xiàn)
public class Demo1 {
/**
* 初始化一個(gè)變量
*/
private static volatile int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
a++;
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個(gè)線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a);
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：9527從日志上可以很清晰的看到，實(shí)際結(jié)果值與預(yù)期不符，即使變量a加了volatile關(guān)鍵字，也無法保證累加結(jié)果的正確性。
針對(duì)volatile關(guān)鍵字，在之前的文章中我們有所介紹，它只能保證變量的可見性和程序的有序性，無法保證程序操作的原子性，導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期不符。
方式二：線程同步安全操作實(shí)現(xiàn)
public class Demo2 {
/**
* 初始化一個(gè)變量
*/
private static int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (Demo2.class){
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
a++;
}
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個(gè)線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a);
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：10000當(dāng)多個(gè)線程操作同一個(gè)變量或者方法的時(shí)候，可以在方法上加synchronized關(guān)鍵字，可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)變量的可見性、程序的有序性、操作的原子性，達(dá)到運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期一致的效果。
同時(shí)也可以采用Lock鎖來實(shí)現(xiàn)多線程操作安全的效果，執(zhí)行結(jié)果也會(huì)與預(yù)期一致。
方式三：原子類操作實(shí)現(xiàn)
public class Demo3 {
/**
* 初始化一個(gè)原子操作類
*/
private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
// 采用原子性操作累加
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個(gè)線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a.get());
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：10000從日志結(jié)果上可見，原子操作類也可以實(shí)現(xiàn)在多線程環(huán)境下執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期一致的效果，關(guān)于底層實(shí)現(xiàn)原理，我們等會(huì)在后文中進(jìn)行介紹。
與synchronized和Lock等實(shí)現(xiàn)方式相比，原子操作類因?yàn)椴捎脽o鎖的方式實(shí)現(xiàn)，因此某些場(chǎng)景下可以帶來更高的執(zhí)行效率。
2.2、對(duì)象引用類型
上文提到的基本類型的原子類，只能更新一個(gè)變量，如果需要原子性更新多個(gè)變量，這個(gè)時(shí)候可以采用對(duì)象引用類型的原子操作類，將多個(gè)變量封裝到一個(gè)對(duì)象中，JDK為開發(fā)者提供了三個(gè)對(duì)象引用類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicReference：對(duì)象引用類型的原子操作類
- AtomicStampedReference：帶有版本號(hào)的對(duì)象引用類型的原子操作類，可以解決 ABA 問題
- AtomicMarkableReference：帶有標(biāo)記的對(duì)象引用類型的原子操作類
以AtomicReference為例，構(gòu)造一個(gè)對(duì)象引用，具體用法如下：
public class User {
private String name;
private Integer age;
public User(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
// 設(shè)置原始值
User user1 = new User("張三", 20);
atomicReference.set(user1);
// 采用CAS方式，將user1更新成user2
User user2 = new User("李四", 21);
atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
System.out.println("更新后的對(duì)象：" + atomicReference.get().toString());輸出結(jié)果：
更新后的對(duì)象：User{name='李四', age=21}2.3、對(duì)象屬性類型
在某項(xiàng)場(chǎng)景下，可能你只想原子性更新對(duì)象中的某個(gè)屬性值，此時(shí)可以采用對(duì)象屬性類型的原子操作類，JDK為開發(fā)者提供了三個(gè)對(duì)象屬性類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicIntegerFieldUpdater：屬性為整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicLongFieldUpdater：屬性為長(zhǎng)整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicReferenceFieldUpdater：屬性為對(duì)象類型的原子操作類
需要注意的是，這些原子操作類需要滿足以下條件才可以使用。
- 1.被操作的字段不能是 static 類型
- 2.被操縱的字段不能是 final 類型
- 3.被操作的字段必須是 volatile 修飾的
- 4.屬性必須對(duì)于當(dāng)前的 Updater 所在區(qū)域是可見的，簡(jiǎn)單的說就是盡量使用public修飾字段
以AtomicIntegerFieldUpdater為例，構(gòu)造一個(gè)整數(shù)類型的屬性引用，具體用法如下：
public class User {
private String name;
/**
* age 字段加上 volatile 關(guān)鍵字，并且改成 public 修飾
*/
public volatile int age;
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
}User user = new User("張三", 20);
AtomicIntegerFieldUpdater<User> fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
// 將 age 的年齡原子性操作加 1
fieldUpdater.getAndIncrement(user);
System.out.println("更新后的屬性值：" + fieldUpdater.get(user));輸出結(jié)果：
更新后的屬性值：212.4、數(shù)組類型
數(shù)組類型的原子操作類，并不是指對(duì)數(shù)組本身的原子操作，而是對(duì)數(shù)組中的元素進(jìn)行原子性操作，這一點(diǎn)需要特別注意，如果要針對(duì)整個(gè)數(shù)組進(jìn)行更新，可以采用對(duì)象引入類型的原子操作類進(jìn)行處理。
JDK為開發(fā)者提供了三個(gè)數(shù)組類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicIntegerArray：數(shù)組為整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicLongArray：數(shù)組為長(zhǎng)整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicReferenceArray：數(shù)組為對(duì)象類型的原子操作類
以AtomicIntegerArray為例，具體用法如下：
int[] value = new int[]{0, 3, 5};
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(value);
// 將下標(biāo)為[0]的元素，原子性操作加 1
array.getAndIncrement(0);
System.out.println("下標(biāo)為[0]的元素，更新后的值：" + array.get(0));輸出結(jié)果：
下標(biāo)為[0]的元素，更新后的值：12.5、累加器類型
累加器類型的原子操作類，是從 jdk 1.8 開始加入的，專門用來執(zhí)行數(shù)值類型的數(shù)據(jù)累加操作，性能更好。
它的實(shí)現(xiàn)原理與基本數(shù)據(jù)類型的原子類略有不同，當(dāng)多線程競(jìng)爭(zhēng)時(shí)采用分段累加的思路來實(shí)現(xiàn)目標(biāo)值，在多線程環(huán)境中，它比AtomicLong性能要高出不少，特別是寫多的場(chǎng)景。
JDK為開發(fā)者提供了四個(gè)累加器類型的原子類，內(nèi)容如下：
- LongAdder：長(zhǎng)整數(shù)類型的原子累加操作類
- LongAccumulator：LongAdder的功能增強(qiáng)版，它支持自定義的函數(shù)操作
- DoubleAdder：浮點(diǎn)數(shù)類型的原子累加操作類
- DoubleAccumulator：同樣的，也是DoubleAdder的功能增強(qiáng)版，支持自定義的函數(shù)操作
以LongAdder為例，具體用法如下：
LongAdder adder = new LongAdder();
// 自增加 1，默認(rèn)初始值為0
adder.increment();
adder.increment();
adder.increment();
System.out.println("最新值：" + adder.longValue());輸出結(jié)果：
最新值：3三、原理解析
在上文中，我們提到了原子類的底層主要基于CAS來實(shí)現(xiàn)，CAS的全稱是：Compare and Swap，翻譯過來就是：比較并替換。
CAS是實(shí)現(xiàn)并發(fā)算法時(shí)常用的一種技術(shù)，它包含三個(gè)操作數(shù)：內(nèi)存位置、預(yù)期原值及新值。在執(zhí)行CAS操作的時(shí)候，會(huì)將內(nèi)存位置的值與預(yù)期原值比較，如果一致，會(huì)將該位置的值更新為新值；否則，不做任何操作。
我們還是以上文介紹的AtomicInteger為例，部分源碼內(nèi)容如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法進(jìn)行 CAS 操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 變量使用 volatile 保證可見性
private volatile int value;
/**
* get 方法
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 原子性自增操作
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}從源碼上可以清晰的看出，變量value使用了volatile關(guān)鍵字，保證數(shù)據(jù)可見性和程序的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。
我們繼續(xù)往下看Unsafe.getAndAddInt()這個(gè)方法，部分源碼內(nèi)容如下：
public final class Unsafe {
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
// 1.循環(huán)比較并替換，只有成功才返回
do {
// 2.調(diào)用底層方法得到 value 值
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 3.通過var1和var2得到底層值，var5為當(dāng)前值，如果底層值與當(dāng)前值相同，則將值設(shè)為var5+var4
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
// 4.如果替換成功，返回當(dāng)前值
return var5;
}
/**
* CAS 核心方法，由其他語言實(shí)現(xiàn)，不再分析
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}從以上的源碼可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)進(jìn)行了循環(huán)比較與替換的操作，只有替換成功才會(huì)返回，這個(gè)過程也被稱為自旋操作，確保程序執(zhí)行成功，進(jìn)一步保證了操作的原子性。
其它的方法實(shí)現(xiàn)思路也類似。
如果我們自己通過CAS編寫incrementAndGet()，大概長(zhǎng)這樣：
public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
int prev, next;
do {
prev = var.get();
next = prev + 1;
} while ( !var.compareAndSet(prev, next));
return next;
}當(dāng)并發(fā)數(shù)量比較低的時(shí)候，采用CAS這種方式可以實(shí)現(xiàn)更快的執(zhí)行效率；當(dāng)并發(fā)數(shù)量比較高的時(shí)候，因?yàn)榇嬖谘h(huán)比較與替換的邏輯，如果長(zhǎng)時(shí)間循環(huán)，可能會(huì)更加消耗 CPU 資源，此時(shí)采用synchronized或Lock來實(shí)現(xiàn)線程同步，可能會(huì)更有優(yōu)勢(shì)。
四、ABA問題
從上文的分析中，我們知道 CAS 在操作的時(shí)候會(huì)檢查預(yù)期原值是否發(fā)生變化，當(dāng)預(yù)期原值沒有發(fā)生變化才會(huì)更新值。
在實(shí)際業(yè)務(wù)中，可能會(huì)出現(xiàn)這么一個(gè)現(xiàn)象：線程 t1 正嘗試將共享變量的值 A 進(jìn)行修改，但還沒修改；此時(shí)另一個(gè)線程 t2 獲取到 CPU 時(shí)間片，將共享變量的值 A 修改成 B，然后又修改為 A，此時(shí)線程 t1 檢查發(fā)現(xiàn)共享變量的值沒有發(fā)生變化，就會(huì)主動(dòng)去更新值，導(dǎo)致出現(xiàn)了錯(cuò)誤更新，但是實(shí)際上原始值在這個(gè)過程中發(fā)生了好幾次變化。這個(gè)現(xiàn)象我們稱它為 ABA 問題。
ABA 問題的解決思路就是使用版本號(hào)，在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加 1，原來的A-B-A就會(huì)變成1A-2B-3A。
在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference類，它支持指定版本號(hào)來更新，可以通過它來解決 ABA 問題。
在AtomicStampedReference類的compareAndSet()方法中，會(huì)檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前版本號(hào)是否等于預(yù)期版本號(hào)，如果全部相等，則以原子方式將該引用的值設(shè)置為給定的更新值，同時(shí)更新版本號(hào)。
具體示例如下：
// 初始化一個(gè)帶版本號(hào)的原子操作類，原始值：a，原始版本號(hào)：1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);
// 將a更為b，同時(shí)將版本號(hào)加1，第一個(gè)參數(shù)：預(yù)期原值；第二個(gè)參數(shù)：更新后的新值；第三個(gè)參數(shù)：預(yù)期原版本號(hào)；第四個(gè)參數(shù)：更新后的版本號(hào)
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新：" + result1);
// 將b更為a，因?yàn)轭A(yù)期原版本號(hào)不對(duì)，所以更新失敗
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新：" + result2);輸出結(jié)果：
第一次更新：true
第二次更新：false五、小結(jié)
本文主要圍繞AtomicInteger的用法和原理進(jìn)行一次知識(shí)總結(jié)，JUC包下的原子操作類非常的多，但是大體用法基本相似，只是針對(duì)不同的數(shù)據(jù)類型做了細(xì)分處理。
在實(shí)際業(yè)務(wù)開發(fā)中，原子操作類通常用于計(jì)數(shù)器，累加器等場(chǎng)景，比如編寫一個(gè)多線程安全的全局唯一 ID 生成器。
public class IdGenerator {
private static AtomicLong atomic = new AtomicLong(0);
public long getNextId() {
return atomic.incrementAndGet();
}
}希望本篇的知識(shí)總結(jié)，能幫助到大家！
六、參考
1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506
2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758
3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231
