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JDK基于CAS實(shí)現(xiàn)原子類盤點(diǎn)解析

更新時(shí)間：2022年12月06日 10:52:21 作者：JAVA旭陽

這篇文章主要為大家介紹了JDK基于CAS實(shí)現(xiàn)原子類盤點(diǎn)解析，有需要的朋友可以借鑒參考下，希望能夠有所幫助，祝大家多多進(jìn)步，早日升職加薪

前言

JDK中提供了一系列的基于CAS實(shí)現(xiàn)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(fā)，線程不會(huì)頻繁上下文切換，所以在某些場景下性能是優(yōu)于加鎖。

本文就盤點(diǎn)一下JDK中的原子類，方便我們后續(xù)拿來使用。

基礎(chǔ)原子類

AtomicInteger：Integer整數(shù)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(gòu)造方法：

public AtomicInteger()：初始化一個(gè)默認(rèn)值為 0 的原子型 Integer
public AtomicInteger(int initialValue)：初始化一個(gè)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(dāng)前值加 1，返回的是自增前的值
public final int incrementAndGet()：以原子方式將當(dāng)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(shè)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(shù)值與實(shí)例中的值相加并返回

使用：

結(jié)果1000，大致說明并發(fā)情況下保證了線程安全

原理分析：

整體實(shí)現(xiàn)思路：自旋（循環(huán)） + CAS算法

當(dāng)舊的預(yù)期值 A == 內(nèi)存值 V 此時(shí)可以修改，將 V 改為 B
當(dāng)舊的預(yù)期值 A != 內(nèi)存值 V 此時(shí)不能修改，并重新獲取現(xiàn)在的最新值，重新獲取的動(dòng)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(dāng)前對象地址的偏移，Unsafe 就是根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取數(shù)據(jù)

從主內(nèi)存中拷貝到工作內(nèi)存中的值（每次都要從主內(nèi)存拿到最新的值到本地內(nèi)存），然后執(zhí)行 compareAndSwapInt() 再和主內(nèi)存的值進(jìn)行比較，假設(shè)方法返回 false，那么就一直執(zhí)行 while 方法，直到期望的值和真實(shí)值一樣，修改數(shù)據(jù)。

原子類AtomicInteger的value屬性是volatile類型，保證了多線程之間的內(nèi)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(qū)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(chuàng)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(diào)用compareAndSet()方法進(jìn)行比較替換對象

ABA問題

但是如果使用AtomicReference類，會(huì)有一個(gè)ABA問題。什么意思呢？就是一個(gè)線程將共享變量從A改成B, 后面又改回A, 這是，另外一個(gè)線程就無法感知這個(gè)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(shí)際的確存在這樣只要共享變量發(fā)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(gòu)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(fā)生了 ABA 現(xiàn)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(shí)有時(shí)候并不關(guān)心共享變量修改了幾次，而是只要標(biāo)記下是否發(fā)生過更改，是否加個(gè)標(biāo)記即可，所以就有了AtomicMarkableReference類。

@Slf4j(topic = "c.AtomicMarkableReferenceTest")
public class AtomicMarkableReferenceTest {
    // 構(gòu)造 AtomicMarkableReference, 初始標(biāo)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(fā)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(diào)用isMarked()方法查看是否發(fā)生變化。

原子數(shù)組

AtomicIntegerArray: Integer類型的原子數(shù)組
AtomicLongArray：Long類型的原子數(shù)組
AtomicReferenceArray：引用類型的原子數(shù)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(gè)線程同時(shí)對數(shù)組對象進(jìn)行加和減的操作，最終結(jié)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(gè)域（Field）進(jìn)行原子操作，只能配合 volatile 修飾的字段使用，否則會(huì)出現(xiàn)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(guān)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(gè)特例，只是 LongAccumulator 提供了更強(qiáng)大的功能，可以自定義累加規(guī)則，當(dāng)accumulatorFunction 為 null 時(shí)就等價(jià)于 LongAddr。

這邊做個(gè)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(gè)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(huì)設(shè)置多個(gè)累加單元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]... 最后將結(jié)果匯總。這樣它們在累加時(shí)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(jié)

本文總結(jié)了JDK中提供的各種原子類，包括基礎(chǔ)原子類、原子引用類、原子數(shù)組類、原子字段更新器和原子累加器等。有時(shí)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(fā)現(xiàn)沒有，所有的原子類操作對于一個(gè)共享變量執(zhí)行操作是原子的，如果對于多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán) CAS 就無法保證操作的原子性，還是老老實(shí)實(shí)加鎖吧，更多關(guān)于JDK CAS原子類的資料請關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章！

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