Java中的原子操作类

时间:2023-12-09 13:40:07

转载: 《ava并发编程的艺术》第7章

当程序更新一个变量时,如果多线程同时更新这个变量,可能得到期望之外的值,比如变量i=1,A线程更新i+1,B线程也更新i+1,经过两个线程操作之后可能i不等于3,而是等于2。因为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1,这就是线程不安全的更新操作,通常我们会使用synchronized来解决这个问题,synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。

而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包(以下简称Atomic包),这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。

因为变量的类型有很多种,所以在Atomic包里也提供了很多类,大致可以属于4种类型的原子更新方式,分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性(字段)。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

原子更新基本类型

使用原子的方式更新基本类型,Atomic包提供了以下3个类。

  • AtomicBoolean:原子更新布尔类型。
  • AtomicInteger:原子更新整型。
  • AtomicLong:原子更新Long类型。

以上3个类提供的方法几乎一模一样,所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解,AtomicInteger的常用方法如下:

  • int addAndGet(int delta): 以原子方式将输入的数值与实例中的值(AtomicInteger里的value)相加,并返回结果。
  • boolean compareAndSet(int expect,int update):如果输入的数值等于预期值,则以原子方式将该值设置为输入的值。
  • int getAndIncrement():以原子方式将当前值加1,注意,这里返回的是自增前的值。
  • int getAndSet(int newValue):以原子方式设置为newValue的值,并返回旧值。
  • 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。关于该方法的更多信息可以参考并发编程网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的?》
  • int getAndSet(int newValue):以原子方式设置为newValue的值,并返回旧值

AtomicInteger示例:

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());

那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢?让我们一起分析其实现原理,getAndIncrement的源码如下:

public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
} 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;
}

首先我们看getAndIncrement方法,它只是对unsafe类的简单包装,具体逻辑都在unsafe里。再看getAndAddInt方法,该方法首先通过this.getIntVolatile(var1, var2); 获取var1指向的内存地址里var2的值,这里也就是获取旧的值;然后通过CAS的方式更新值为var5+var4,更新失败进入自循。

Atomic包提供了3种基本类型的原子更新,但是Java的基本类型里还有char、float和double等。那么问题来了,如何原子的更新其他的基本类型呢?Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的,让我们一起看一下Unsafe的源码。

/**
* 如果当前数值是expected,则原子的将Java变量更新成x
* @return 如果更新成功则返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o,long offset , Object expected , Object x );
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o , long offset , int expected, int x );
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o , long offset , long expected ,long x );

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。

// AtomicBoolean
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);
} // AtomicDouble
public final boolean compareAndSet(double expect, double update) {
return updater.compareAndSet(this,Double.doubleToRawLongBits(expect),Double.doubleToRawLongBits(update));
}

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素,Atomic包提供了一下4个类:

  • AtomicIntegerArray:原子更新整型数组里的元素。
  • AtomicLongArray:原子更新长整型数组里的元素。
  • AtomicReferenceArray:原子更新引用类型数组里的元素。

上述几个类提供的方法几乎一样,我们以AtomicIntegerArray类为例讲解,其常用方法如下:

  • int addAndGet(int i , int delta):以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
  • boolean 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的元素设置成update值。
static int[] value = new int[] { 1, 2 };

static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);

public static void main(String[] args) {

        ai.getAndSet(0,3);

        System.out.println(ai.get(0));
System.out.println(value[0]);
}

输出接结果:

3
1

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

构造方法:

/**
* Creates a new AtomicIntegerArray with the same length as, and
* all elements copied from, the given array.
*
* @param array the array to copy elements from
* @throws NullPointerException if array is null
*/
public AtomicIntegerArray(int[] array) {
// Visibility guaranteed by final field guarantees
this.array = array.clone();
}

原子更新引用类型

原子更新基本类型的AtomicInterger,只能更新一个变量,如果要原子更新多个变量,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类:

  • 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。可以原子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)。

以上几个类提供的方法几乎一样,所以此处我们仅以AtomicReference为例进行讲解,AtomicReference的使用示例代码如下:


public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new
AtomicReference<User>(); public static void main(String[] args) {
User user = new User("conan", 15);
atomicUserRef.set(user);
User updateUser = new User("Shinichi", 17);
atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
}
static class User {
private String name;
private int old;
public User(String name, int old) {
this.name = name;
this.old = old;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getOld() {
return old;
}
}
// 运行结果
Shinichi
17

其实现原理是依靠了unsafe.compareAndSwapObject方法。

public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}

原子更新字段类

如果需原子地更新某个类里的某个字段时,就需要使用原子更新字段类,Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新。

  • 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,可用于原子的更新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。

要想原子地更新字段类需要两步。第一步,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。第二步,更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符。

以上3个类提供的方法几乎一样,此处仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解,AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下:

// 创建原子更新器,并设置需要更新的对象类和对象的属性
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.
newUpdater(User.class, "old");
public static void main(String[] args) {
// 设置柯南的年龄是10岁
User conan = new User("conan", 10);
// 柯南长了一岁,但是仍然会输出旧的年龄
System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
// 输出柯南现在的年龄
System.out.println(a.get(conan));
}
public static class User {
private String name;
public volatile int old;
public User(String name, int old) {
this.name = name;
this.old = old;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getOld() {
return old;
}
}

运行结果如下:

10
11