Java多線程 原子操作類詳細(xì)
1、What and Why
原子的本意是不能被分割的粒子，而對于一個(gè)操作來說，如果它是不可被中斷的一個(gè)或者一組操作，那么他就是原子操作。顯然，原子操作是安全的，因?yàn)樗粫淮驍唷?/p>
平時(shí)我們見到的很多操作看起來是原子操作，但其實(shí)是非原子操作，例如很常見的i++操作，它背后有取值、加一、寫回等操作，如果有兩個(gè)線程都要對 i 進(jìn)行加一操作，就有可能結(jié)果把i只變成了2，這就是線程不安全的更新操作，當(dāng)然我們可以使用synchronized解決，但是JUC提供了java.util.concurrent.atomic包，這個(gè)包的原子操作類提供了一種簡單高效、線程安全地更新一個(gè)變量的方式。
2、原子更新基本類型類
使用原子的方式更新基本類型，Atomic包提供了以下3個(gè)類：
AtomicBoolean：原子更新布爾類型AtomicInteger：原子更新整型AtomicLong：原子更新長整型
上面三個(gè)類型的方法幾乎一模一樣，下面以AtomicInteger為例介紹以下他們的方法
- int addAndGet(int data)：以原子操作的方式將輸入data與
AtomicInteger原有的值相加，并返回結(jié)果。 - boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果輸入的數(shù)值等于預(yù)期值expect，則以原子操作的方式將
update賦給AtomicInteger原有的值。 - getAndIncrement()：以原子操作的方式給
AtomicInteger原有的值加一，但是注意這個(gè)方法返回的值是自增前的值。 - int getAndSet(int newValue)：以原子操作的方式給
AtomicInteger原有的值設(shè)置成newValue的值 - void lazySet(int newValue)：最終會設(shè)置成
newValue，但是使用lazyset設(shè)置之后，可能會導(dǎo)致其他線程在之后的一小段時(shí)間內(nèi)還可以讀到舊值。
class AtomicIntegerDemo{
static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
//新建一個(gè)線程池
ExecutorService threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(2,
4,
100,
TimeUnit.MILLISECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10),
Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
// 新建一個(gè)線程
threadPoolExecutor.execute(
() -> {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
});
//新建一個(gè)線程
threadPoolExecutor.execute(()->{
for (int i = 0; i < 10; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
});
System.out.println(atomicInteger.get());
threadPoolExecutor.shutdown();
}
}
3、實(shí)現(xiàn)原理
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
其中，unsafe類是Java用來處理一些用于執(zhí)行低級別、不安全操作的方法，如直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存資源、自主管理內(nèi)存資源等，它使得Java擁有了類似C語言一樣操作內(nèi)存空間的能力。
valueOffset是字段value的內(nèi)存偏移地址，valueOffset的值在AtomicInteger初始化時(shí)，在靜態(tài)代碼塊中通過Unsafe的objectFieldOffset方法獲取。在AtomicInteger中提供的線程安全方法中，通過字段valueOffset的值可以定位到AtomicInteger對象中value的內(nèi)存地址，從而可以根據(jù)CAS實(shí)現(xiàn)對value字段的原子操作。
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
int v;
do {
v = getIntVolatile(o, offset);
} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
打開getAndAddInt()函數(shù)，可以看到這里使用了一個(gè)CAS機(jī)制的自旋鎖來對v值進(jìn)行賦值,關(guān)于CAS機(jī)制可以查看文章Java多線程 樂觀鎖和CAS機(jī)制
，getIntVolatile方法用于獲取對象o指定偏移量的int值，此操作具有volatile內(nèi)存語義，也就是說，即使對象o指定offset的變量不是volatile的，次操作也會使用volatile語義，會強(qiáng)制從主存獲取值，然后通過compareAndSwapInt來替換值，直到替換成功后，退出循環(huán)。
4、原子更新數(shù)組
使用原子的方式更新數(shù)組中的某個(gè)元素，Atomic包提供了以下3個(gè)類：
- AtomicReferenceArray：原子更新引用類型數(shù)組中的元素
- AtomicIntegerArray：原子更新整型數(shù)組中的元素
- AtomicLongArray：原子更新長整型數(shù)組中的元素
下面以AtomicIntegerArray為例介紹以下他們的方法：
int addAndGet(int i, int delta)：以原子的方式將輸入值與數(shù)組中索引i的元素相加。boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：如果當(dāng)前值等于預(yù)期值，則以原子方式將數(shù)組位置i的元素設(shè)置成update值
5、原子更新引用類型
剛剛提到的只能一次更新一個(gè)變量，如果要更新多個(gè)變量就需要使用原子更新引用類型提供的類了：
- AtomicReference：原子更新引用類型
- AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型里的字段
- AtomicMarkableReference：原子更新帶有標(biāo)記位的引用類型?？梢栽拥馗乱粋€(gè)布爾類型地標(biāo)記位和引用類型。
AtomicReference 示例
class User{
private String name;
public volatile int age;
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
}
class Reference
{
static AtomicReference<User> atomicUser = new AtomicReference<>();
public static void main(String[] args) {
User u = new User("1",10);
atomicUser.set(u);
System.out.println(atomicUser.get());
atomicUser.compareAndSet(u,new User("2",15));
System.out.println(atomicUser.get());
System.out.println(atomicUser.compareAndSet(u, new User("3", 123)));
System.out.println(atomicUser.compareAndSet(new User("2", 15), u));
}
}
AtomicReferenceFieldUpdate
class AtomicFiled
{
static AtomicReferenceFieldUpdater<User,String> nameField = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class,String.class,"name");
public static void main(String[] args) {
//
User u = new User("123",10);
System.out.println(u);
System.out.println(nameField.compareAndSet(u, "123", "xiaohua"));
System.out.println(u);
System.out.println(nameField.compareAndSet(u,"123","xiaoli"));
}
}
AtomicMarkableReference 示例
前面介紹的都是在原子操作下對一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修改，AtomicMarkableReference 不同的是，它不僅可以修改，還定義了一個(gè)變量去判斷是他之前是否已經(jīng)被修改過了，這里就不得不提到ABA問題了：
ABA問題就是如果一個(gè)線程把變量a的值由1變成2，另一個(gè)線程又把變量a的值由2變回了1，這個(gè)時(shí)候變量a的值相當(dāng)于沒有變過，但實(shí)際上其實(shí)已經(jīng)被更改了，這就是ABA問題。可以舉一個(gè)更形象的例子，杯子里有一杯水，小明把它喝完了，之后又接滿水放回原處，這時(shí)小華來了如果知道了杯子被人用過那肯定不會再喝了，如果小明喝完之后那張紙記錄下已經(jīng)用過，那么小華來了就知道了。AtomicMarkableReference就提供了這樣一個(gè)布爾變量記錄值是否被修改過。
AtomicMarkableReference初始化時(shí)需要傳入一個(gè)引用值（類型就是前面填的泛型），此外還需要傳入一個(gè)布爾值用作判斷是否修改。AtomicMarkableReference的compareAndSet要傳入兩組參數(shù)：舊的引用值和新的引用值；舊的布爾值和新的布爾值，只有傳入的舊引用值和舊布爾值與對象中的值相同，才會修改引用值和布爾值。
class AtomicFiled
{
static AtomicMarkableReference<Integer> intMarkable = new AtomicMarkableReference<>(123,false);
public static void main(String[] args) {
System.out.println(intMarkable.getReference());
System.out.println(intMarkable.isMarked());
System.out.println(intMarkable.compareAndSet(123,100,false,true));
System.out.println(intMarkable.getReference());
System.out.println(intMarkable.isMarked());
System.out.println(intMarkable.compareAndSet(100,123,false,true));
}
}
6、原子更新字段類
如果需要原子地更新某個(gè)類中的字段時(shí)，就需要使用原子更新字段類，Atomic包提供了下面3個(gè)類：
- AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器
- AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型的字段的更新器
- AtomicStampedReference：原子更新帶版本號的引用類型。使用版本號解決ABA問題
需要注意的是，原子地更新字段類需要兩步：第一步需要用靜態(tài)方法newUpdate()創(chuàng)建一個(gè)更新器，并且設(shè)置想要更新的類和屬性。第二步，更新類的字段（屬性）必須使用public volatile修飾符。
public class AtomicDemo {
static AtomicReference<User> atomicUsers = new AtomicReference<>();
static AtomicIntegerFieldUpdater<User> userAge = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
static CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(2);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
User u = new User("123",0);
atomicUsers.set(u);
ExecutorService threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(3,
6,
100,
TimeUnit.MILLISECONDS,
new ArrayBlockingQueue<Runnable>(10),
Executors.defaultThreadFactory(),
new ThreadPoolExecutor.AbortPolicy());
threadPoolExecutor.execute(()->
{
try {
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(200);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+atomicUsers.get().getAge());
userAge.incrementAndGet(u);
countDownLatch.countDown();
});
threadPoolExecutor.shutdown();
countDownLatch.await();
System.out.println(atomicUsers.get().getAge());
}
}
到此這篇關(guān)于Java多線程 原子操作類詳細(xì)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java多線程 原子操作類內(nèi)容請搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！
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