?前言
JDK中提供了一系列的基于CAS實現的原子類，CAS 的全稱是Compare-And-Swap?，底層是lock cmpxchg指令，可以在單核和多核 CPU 下都能夠保證比較交換的原子性。所以說，這些原子類都是線程安全的，而且是無鎖并發，線程不會頻繁上下文切換，所以在某些場景下性能是優于加鎖。
本文就盤點一下JDK中的原子類，方便我們后續拿來使用。
基礎原子類
- AtomicInteger：Integer整數類型的原子操作類
- AtomicBoolean：Boolean類型的原子操作類
- AtomicLong：Long類型的原子操作類
這邊以AtomicInteger講解下它的API和用法。
構造方法：
- public AtomicInteger()?：初始化一個默認值為 0 的原子型 Integer
- public AtomicInteger(int initialValue)?：初始化一個指定值的原子型 Integer
常用API：
- public final int get(): 獲取 AtomicInteger 的值
- public final int getAndIncrement(): 以原子方式將當前值加 1，返回的是自增前的值
- public final int incrementAndGet()：以原子方式將當前值加 1，返回的是自增后的值
- public final int getAndSet(int value)：以原子方式設置為 newValue 的值，返回舊值
- public final int addAndGet(int data)：以原子方式將輸入的數值與實例中的值相加并返回
使用：
原理分析：
整體實現思路： 自旋（循環） + CAS算法
- 當舊的預期值 A == 內存值 V 此時可以修改，將 V 改為 B
- 當舊的預期值 A != 內存值 V 此時不能修改，并重新獲取現在的最新值，重新獲取的動作就是自旋
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}valueOffset：偏移量表示該變量值相對于當前對象地址的偏移，Unsafe 就是根據內存偏移地址獲取數據
從主內存中拷貝到工作內存中的值（每次都要從主內存拿到最新的值到本地內存），然后執行compareAndSwapInt()再和主內存的值進行比較，假設方法返回 false，那么就一直執行 while 方法，直到期望的值和真實值一樣，修改數據。
原子類AtomicInteger的value?屬性是volatile類型，保證了多線程之間的內存可見性，避免線程從工作緩存中獲取失效的變量。
原子引用
原子引用主要是對對象的原子操作，原子引用類分為AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference。它們之間有什么區別呢？
AtomicReference類
普通的原子類對象
public class AtomicReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
User user1 = new User("旭陽");
// 創建原子引用包裝類
AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>(user1);
while (true) {
User user2 = new User("alvin");
// 比較并交換
if (atomicReference.compareAndSet(user1, user2)) {
break;
}
}
System.out.println(atomicReference.get());
}
}
@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
class User {
private String name;
}調用compareAndSet()方法進行比較替換對象
ABA問題
但是如果使用AtomicReference類，會有一個ABA問題。什么意思呢？就是一個線程將共享變量從A改成B, 后面又改回A, 這是，另外一個線程就無法感知這個變化過程，就傻傻的比較，就以為沒有變化，還是一開始的A，就替換了。 實際的確存在這樣只要共享變量發生過變化，就要CAS失敗，有什么辦法呢？
AtomicStampedReference類
帶版本號的原子類對象
@Slf4j(topic = "a.AtomicStampedReferenceTest")
public class AtomicStampedReferenceTest {
// 構造AtomicStampedReference
static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
log.debug("main start...");
// 獲取值 A
String prev = ref.getReference();
// 獲取版本號
int stamp = ref.getStamp();
log.debug("版本 {}", stamp);
// 如果中間有其它線程干擾，發生了 ABA 現象
other();
Thread.sleep(1000);
// 嘗試改為 C
log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
}
private static void other() throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
log.debug("更新版本為 {}", ref.getStamp());
}, "t1").start();
Thread.sleep(500);
new Thread(() -> {
log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
log.debug("更新版本為 {}", ref.getStamp());
}, "t2").start();
}
}
- 雖然對象的值變回了A，但是由于版本變了，所以主線程CAS失敗
AtomicMarkableReference 類
其實有時候并不關心共享變量修改了幾次，而是只要標記下是否發生過更改，是否加個標記即可，所以就有了AtomicMarkableReference類。
@Slf4j(topic = "c.AtomicMarkableReferenceTest")
public class AtomicMarkableReferenceTest {
// 構造 AtomicMarkableReference, 初始標記為false
static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", false);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
log.debug("main start...");
other();
Thread.sleep(1000);
// 看看是否發生了變化
log.debug("change {}", ref.isMarked());
}
private static void other() throws InterruptedException {
new Thread(() -> {
log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
false, true));
}, "t1").start();
Thread.sleep(500);
new Thread(() -> {
log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
true, true));
}, "t2").start();
}
}
通過調用isMarked()方法查看是否發生變化。
原子數組
- AtomicIntegerArray: Integer類型的原子數組
- AtomicLongArray：Long類型的原子數組
- AtomicReferenceArray：引用類型的原子數組
直接上例子
public class AtomicIntegerArrayTest {
public static void main(String[] args) throws Exception{
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
Thread t1 = new Thread(()->{
int index;
for(int i=1; i<100000; i++) {
index = i%10; //范圍0~9
array.incrementAndGet(index);
}
});
Thread t2 = new Thread(()->{
int index;
for(int i=1; i<100000; i++) {
index = i%10; //范圍0~9
array.decrementAndGet(index);
}
});
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(5 * 1000);
System.out.println(array.toString());
}
}
- 兩個線程同時對數組對象進行加和減的操作，最終結果都是0，說明線程安全。
原子字段更新器
- AtomicReferenceFieldUpdater
- AtomicIntegerFieldUpdater
- AtomicLongFieldUpdater
利用字段更新器，可以針對對象的某個域（Field?）進行原子操作，只能配合 volatile 修飾的字段使用，否則會出現異常。
@Data
public class AtomicReferenceFieldUpdaterTest {
private volatile int age = 10;
private int age2;
public static void main(String[] args) {
AtomicIntegerFieldUpdater integerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdaterTest.class, "age");
AtomicReferenceFieldUpdaterTest ref = new AtomicReferenceFieldUpdaterTest();
// 對volatile 的age字段+1
integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
System.out.println(ref.getAge());
// 修改 非volatile的age2
integerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdaterTest.class, "age2");
integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
}
}
- 原子字段更新器只能更新volatile字段，它可以保證可見性，但是無法保證原子性。
原子累加器
原子累加器主要是用來做累加的，相關的類有LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator。
LongAdder?是jdk1.8中引入的，它的性能要比AtomicLong方式好。
LongAddr? 類是 LongAccumulator? 類的一個特例，只是 LongAccumulator? 提供了更強大的功能，可以自定義累加規則，當accumulatorFunction? 為 null 時就等價于 LongAddr。
這邊做個性能的對比例子。
public class LongAdderTest {
public static void main(String[] args) {
System.out.println("LongAdder ...........");
for (int i = 0; i < 5; i++) {
addFunc(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
}
System.out.println("AtomicLong ...........");
for (int i = 0; i < 5; i++) {
addFunc(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
}
}
private static <T> void addFunc(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
T adder = adderSupplier.get();
long start = System.nanoTime();
List<Thread> ts = new ArrayList<>();
// 40個線程，每人累加 50 萬
for (int i = 0; i < 40; i++) {
ts.add(new Thread(() -> {
for (int j = 0; j < 500000; j++) {
action.accept(adder);
}
}));
}
ts.forEach(t -> t.start());
ts.forEach(t -> {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
});
long end = System.nanoTime();
System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
}
}
主要是由于LongAdder會設置多個累加單元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]... 最后將結果匯總。這樣它們在累加時操作的不同的 Cell 變量，因此減少了 CAS 重試失敗，從而提高性能。
總結
本文總結了JDK中提供的各種原子類，包括基礎原子類、原子引用類、原子數組類、原子字段更新器和原子累加器等。有時候，使用這些原子類的性能是比加鎖要高的，特別是在讀多寫少的場景下。但是，不知道大家發現沒有，所有的原子類操作對于一個共享變量執行操作是原子的，如果對于多個共享變量操作時，循環 CAS 就無法保證操作的原子性，還是老老實實加鎖吧。
