juc的Atomic

Java从JDK1.5开始提供java.util.concurrent.atomic包,方便程序员在多线程环境下,无锁的进行原子操作
原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令,但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样,也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。atomic使用的是cas的更新方式,当某个线程在执行atomic的方法时,不会被其他线程打断,而别的线程就像自旋锁一样,一直等到该方法执行完成,才由JVM从等待队列中选择一个线程执行,在软件层面上是非阻塞的,它是在底层硬件上借助处理器的原子指令来保证的。
Atomic包里一共有12个类,四种原子更新方式,分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用、原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

  • AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong,AtomicReference
  • AtomicIntegerArray,AtomicLongArray,AtomicReferenceArray
  • AtomicLongFieldUpdate,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater
  • AtomicMarkableReference,AtomicStapedReference
    我们看一下最简单的AtomicInteger有哪些常用的方法:
方法作用
get()直接返回值
getAndAdd(int)增加指定的数据,返回变化前的数据
getAndDecrement()减少1,返回减少前的数据
getAndIncrement()增加1,返回增加前的数据
getAndSet(int)设置指定的数据,返回设置前的数据
addAndGet(int)增加指定的数据,返回变化后的数据
decrementAndGet()减少1,返回变化后的值
incrementAndGet()增加1,返回变化后的值
lazeSet(int)仅仅当get时才会set,参考:lazySet是如何工作的
compareAndSet(int,int)尝试新增后对比,若增加成功则返回true,失败返回false

我们看一下Unsafe的源码:

package sun.misc;

public final class Unsafe {
    ......
    //可以看出所有方法都是native修饰的
    public native int getInt(Object var1, long var2);
    public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);
    public native Object getObject(Object var1, long var2);
    public native void putObject(Object var1, long var2, Object var4);
    //使用处理器提供的CAS算法去做更新
    public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        //在这个地方做一个自旋,保证一定更新成功
        do {
            //volatile保证可见性,每次都会从主内存中获取最新值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        return var5;
    }
    public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));
        return var6;
    }
    ......
}

我们看一下Atomic的源码,可以看出是直接调用了Unsafe的方法(即JNI接口)

    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
    public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }

Unsafe只提供了三种CAS方法,compareAndSwapObject,compareAndSwapInt和compareAndSwapLong,那么其他类型怎么更新呢?再看AtomicBoolean源码,发现是先把Boolean转换成整型,再使用compareAndSwapInt进行CAS,所以原子更新double也可以用类似的思路来实现。

    //AtomicBoolean源码
    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源码
    //PS:AtomicDouble不是juc.atomic包下的,是com.google.common.util.concurrent下的
    public final double getAndSet(double newValue) {
        long next = Double.doubleToRawLongBits(newValue);
        return Double.longBitsToDouble(updater.getAndSet(this, next));
    }
    public final boolean compareAndSet(double expect, double update) {
        return updater.compareAndSet(this, Double.doubleToRawLongBits(expect), Double.doubleToRawLongBits(update));
    }

原子更新数组类
AtomicIntegerArray常用方法:

方法作用
addAndGet()以原子方式将输入值与数组中的索引i的元素相加
compareAndSet(int i,int exepect,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
    public final int addAndGet(int i, int delta) {
        return getAndAdd(i, delta) + delta;
    }
    public final int getAndAdd(int i, int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(array, checkedByteOffset(i), delta);
    }
    public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
        return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
    }
    private boolean compareAndSetRaw(long offset, int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);
    }

AtomicIntegerArray类需要注意的是,数组value通过构造方法传递进去,然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份,所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时,不会影响传入的数组。
原子更新引用类型
原子更新基本类型AtomicInteger,只能更新一个变量,如果要原子的更新多个变量,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。

  • 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。可以原子的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)
    AtomicMarkableReference源码如下,是使用了一个内部类Pair绑定更新标记为和引用的
public class AtomicMarkableReference<V> {

    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final boolean mark;
        private Pair(T reference, boolean mark) {
            this.reference = reference;
            this.mark = mark;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) {
            return new Pair<T>(reference, mark);
        }
    }
    private volatile Pair<V> pair;
    public V get(boolean[] markHolder) {
        Pair<V> pair = this.pair;
        markHolder[0] = pair.mark;
        return pair.reference;
    }
    public boolean compareAndSet(V       expectedReference,
                                 V       newReference,
                                 boolean expectedMark,
                                 boolean newMark) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedMark == current.mark &&
            ((newReference == current.reference &&
              newMark == current.mark) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newMark)));
    }
    //对Pair进行CAS
    private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
    }

AtomicReference的使用例子代码如下:

public class AtomicReferenceTest {

    public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference</user><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().getAge());
    }

    static class User {
        private String name;
        private int age;

        public User(String name, int age) {
            this.name = name;
            this.age = age;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }
    }
}

原子更新字段
如果我们只需要更新某个类里的某个字段,那么就需要使用原子更新字段类。

  • 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。实现与AtomicMarkableReference类似,都是使用了Pair内部类实现版本号和数据的绑定CAS更新。
public abstract class AtomicIntegerFieldUpdater<T> {
    public abstract boolean compareAndSet(T obj, int expect, int update);
    public abstract void lazySet(T obj, int newValue);
    public abstract int get(T obj);
    public int getAndAdd(T obj, int delta) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get(obj);
            next = prev + delta;
        } while (!compareAndSet(obj, prev, next));
        return prev;
    }

原子更新字段类都是抽象类,每次使用都的时候都必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段必须使用public volatile修饰符。AtomicIntegerFieldUpdate的例子代码如下:

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(User.class, "age");

    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        System.out.println(a.get(conan));
    }

    static class User {
        private String name;
        private int age;

        public User(String name, int age) {
            this.name = name;
            this.age = age;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }
    }
}

参考文章:CAS:利用处理器原子性来保证juc.atomic原子性

    原文作者:JUC
    原文地址: https://blog.csdn.net/u011305680/article/details/80172408
    本文转自网络文章,转载此文章仅为分享知识,如有侵权,请联系博主进行删除。
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