JAVA多线程之——并发包JUC——Atomic

2023年10月20日 265次阅读来源: JUC

前面学习了基础的多线程知识。今天开始学习JAVA的并发包java.util.concurrent。java并发包包括 java.util.concurrent、java.util.concurrent.atomic、java.util.concurrent.locks包。今天开始学习atomic包下的内容’
概念
java从jdk1.5开始引入了并发包。其中java.util.concurrent.atomic包，方便在无锁的情况下，进行原子操作。原子变量的底层使用的是CPU的原子指令，但是不同的CPU有不同的架构，指令也就不同。所以也有可能需要提供某种内部的锁机制。所以不能保证线程绝对不会堵塞。
Atomic分类
atomic包下面总共有12个类。根据起作用可以分为四类
1.原子更新基本类型

AtomicBoolean 原子更新布尔类型
AtomicInteger 原子更新整型
AtomincLong 原子更新长整型

原子更新整型的常用方法：

int get() 获取当前值
void set(int newValue) 设置为给定值。
int getAndAdd(int delta) 以原子方式将给定值与当前值相加。
int decrementAndGet() 以原子方式将当前值减 1。
int incrementAndGet() 以原子方式将当前值加 1。
void lazySet(int newValue) 最后设置为给定值。

方法可以通过API查找。我们主要是了解，为什么原子类型的操作就是线程安全的？底层又是如何进行原子操作的呢？
对JVM有过一定了解的应该都知道CAS操作。CAS操作有3个操作数，内存值M，预期值E，新值U，如果M==E，则将内存值修改为B，否则啥都不做。就是当且仅当内存值与当前值一致，才进行值的更新。否则不更新。这样就保证了atomic包下面的操作的原子行。那它是如何实现的呢？看一看源码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

    /** * Creates a new AtomicInteger with the given initial value. * * @param initialValue the initial value */
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    }

这是AtomicInteger中的一段源码。我们可以看到其中有一个Unsafe类，一个volatile 修饰的value. 这个value就是先保证了AtomicInteger操作的可见性。然后Unsafe保证对这个value值的操作都是CAS操作。这样就保证了其原子性。Unsafe源码的一部分：

/** * 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新。此更新是不可中断的。 * * @param obj 需要更新的对象 * @param offset obj中整型field的偏移量 * @param expect 希望field中存在的值 * @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值 * @return 如果field的值被更改返回true */
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

Unsafe中就是通过这样的方式来实现CAS操作。同理AtomicBoolean 和AtomicLong也是这样的方式。但是java中对long类型和double类型的操作是不具有原子性的。这个在今后学习JVM中会详细学习。还有CAS概念。

2.原子更新数组类型
理解了原子更新基本类型，对于其它类型就比较好理解了。
通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：

AtomicIntegerArray 原子更新整型数组
AtomicLongArray 原子更新长整型数组
AtomicReferenceArray 原子更新引用数组

AtomicIntegerArray常用的方法：

int get(int i) 获取位置 i 的当前值。
void set(int i, int newValue) 将位置 i 的元素设置为给定值。
int length() 返回该数组的长度。
int getAndAdd(int i, int delta) 以原子方式将给定值与索引 i 的元素相加。
int getAndDecrement(int i) 以原子方式将索引 i 的元素减 1。
int getAndIncrement(int i) 以原子方式将索引 i 的元素加 1。
AtomicIntegerArray(int length) 创建给定长度的新 AtomicIntegerArray。
AtomicIntegerArray(int[] array) 创建与给定数组具有相同长度的新 AtomicIntegerArray，并从给定数组复制其所有素。

先来看一下AtomicIntegerArray的部分源码：

 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
    private static final int shift;
    private final int[] array;
public AtomicIntegerArray(int length) {
        array = new int[length];
    }
    public AtomicIntegerArray(int[] array) {
        // Visibility guaranteed by final field guarantees
        this.array = array.clone();
    }
 public final int getAndAdd(int i, int delta) {
        long offset = checkedByteOffset(i);
        while (true) {
            int current = getRaw(offset);
            if (compareAndSetRaw(offset, current, current + delta))
                return current;
        }
    }

通过观察源码，其实AtomicIntegerArray类，跟AtomicInteger的原理相似。其自身拥有一个 int[]的数组array。如果我们调用构造器构造的时候没有传入数组，则直接初始化自身数组，否则，对我们的数组进行克隆。也就是说，它操作的都是自身的数组，对我们传入的数组是不会有任何操作。而对数组中的数据的操作也是通过Unsafe类来实现其原子性的操作。

3.原子更新引用类型
原子更新基本类型，每次只能更新一个变量，而当需要更新多个变量，比如一个对象的多个属性时候，我们就必须用到原子更新引用类型类——AtomicReference. 其常用的方法有：

V get() 获取当前值。
void set(V newValue) 设置为给定值。
V getAndSet(V newValue) 以原子方式设置为给定值，并返回旧值。
boolean compareAndSet(V expect, V update) 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
void lazySet(V newValue) 最终设置为给定值。

先看一个示例：

public class AtomicTest3 {

    public static void main(String[] args) {
        final AtomicReference<Student>  reference  = new AtomicReference<Student>();
        final Student s1 = new Student("张三", 18);
        Student s2 = new Student("李四", 20);
        reference.set(s1);
        reference.compareAndSet(s1, s2);
        System.out.println(reference.get());



    }

    static class Student{
        private String name;
        private int  age;
        public Student(String name, int age) {
            super();
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
        public int getAge() {
            return age;
        }
        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "Student [name=" + name + ", age=" + age + "]";
        }



    }

}

运行结果：

Student [name=李四, age=20]

看来是没什么问题。再看一个示例：


public class AtomicTest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference<Student>  reference  = new AtomicReference<Student>();
        final Student s1 = new Student("张三", 18);

        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    s1.setName("李四");
                    Thread.currentThread().sleep(2000);
                    s1.setAge(20);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }


            }
        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(s1.toString());
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

    }

    static class Student{
        private String name;
        private int  age;
        public Student(String name, int age) {
            super();
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
        public int getAge() {
            return age;
        }
        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "Student [name=" + name + ", age=" + age + "]";
        }



    }

}

运行结果：

Student [name=李四, age=18]

这个结果通过前面学习我们可以知道原因。因为没有同步操作。OK，那可能就会想，我们今天学习了AtomicReferece。刚好是更新一个对象。那我们可以用上。示例：

public class AtomicTest2 {

    public static void main(String[] args) {
        final AtomicReference<Student>  reference  = new AtomicReference<Student>();
        final Student s1 = new Student("张三", 18);
        reference.set(s1);
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    reference.get().setName("李四");
                    Thread.currentThread().sleep(2000);
                    reference.get().setAge(20);
                } catch (InterruptedException e) {
                    // TODO Auto-generated catch block
                    e.printStackTrace();
                }


            }
        });

        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(reference.get().toString());
            }
        });

        t1.start();
        t2.start();

    }

    static class Student{
        private String name;
        private int  age;
        public Student(String name, int age) {
            super();
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
        public int getAge() {
            return age;
        }
        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "Student [name=" + name + ", age=" + age + "]";
        }



    }

}

结果：

Student [name=李四, age=18]

我们发现，结果并没有对真个对象进行我们预期的“原子操作”。为什么？看源码：

 private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L;

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile V value;

我们看到有一个变量 V value。这意味着，我们所有的原子操作都是在操作这整个对象。如果对这个对象单独的属性进行操作，那必然会导致这个对象的原子性不一致。同理，如果在AtomicInteger类，加入我们连续的多次调用自增1的方法，那也是不能保证原子性的。
4.原子更新字段
如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：

AtomicIntegerFieldUpdater 原子更新整型的字段的更新器
AtomicLongFieldUpdater 原子更新长整型的字段更新器
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。

原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。AtomicIntegerFieldUpdater的示例：

    public static void main(String[] args) {
        Student s1 = new Student("张三", 18);
        AtomicReferenceFieldUpdater  updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, Integer.class, "age");
        System.out.println(updater.get(s1));
        updater.set(s1, 20);
        System.out.println(updater.get(s1));
        System.out.println(s1);


    }

    static class Student{
        private String name;
      volatile Integer  age;
        public Student(String name, int age) {
            super();
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }
        public int getAge() {
            return age;
        }
        public void setAge(int age) {
            this.age = age;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "Student [name=" + name + ", age=" + age + "]";
        }
    }

}

运行结果：

18 20 Student [name=张三, age=20]

这里需要注意的是
1.字段必须用volatile修饰 2.字段不能修饰为private。源码：

  AtomicReferenceFieldUpdaterImpl(Class<T> tclass,
                                        Class<V> vclass,
                                        String fieldName,
                                        Class<?> caller) {
            Field field = null;
            Class fieldClass = null;
            int modifiers = 0;
            try {
                field = tclass.getDeclaredField(fieldName);
                modifiers = field.getModifiers();
                sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(
                    caller, tclass, null, modifiers);
                sun.reflect.misc.ReflectUtil.checkPackageAccess(tclass);
                fieldClass = field.getType();
            } catch (Exception ex) {
                throw new RuntimeException(ex);
            }

            if (vclass != fieldClass)
                throw new ClassCastException();
            if (vclass.isPrimitive())
                throw new IllegalArgumentException("Must be reference type");

            if (!Modifier.isVolatile(modifiers))
                throw new IllegalArgumentException("Must be volatile type");

            this.cclass = (Modifier.isProtected(modifiers) &&
                           caller != tclass) ? caller : null;
            this.tclass = tclass;
            if (vclass == Object.class)
                this.vclass = null;
            else
                this.vclass = vclass;
            offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
        }

        void targetCheck(T obj) {
            if (!tclass.isInstance(obj))
                throw new ClassCastException();
            if (cclass != null)
                ensureProtectedAccess(obj);
        }

        void updateCheck(T obj, V update) {
            if (!tclass.isInstance(obj) ||
                (update != null && vclass != null && !vclass.isInstance(update)))
                throw new ClassCastException();
            if (cclass != null)
                ensureProtectedAccess(obj);
        }

        public boolean compareAndSet(T obj, V expect, V update) {
            if (obj == null || obj.getClass() != tclass || cclass != null ||
                (update != null && vclass != null &&
                 vclass != update.getClass()))
                updateCheck(obj, update);
            return unsafe.compareAndSwapObject(obj, offset, expect, update);
        }

        public boolean weakCompareAndSet(T obj, V expect, V update) {
            // same implementation as strong form for now
            if (obj == null || obj.getClass() != tclass || cclass != null ||
                (update != null && vclass != null &&
                 vclass != update.getClass()))
                updateCheck(obj, update);
            return unsafe.compareAndSwapObject(obj, offset, expect, update);
        }

其中调用了 sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(
caller, tclass, null, modifiers);这个方法。一直跟踪这个方法：

 public static boolean More ...verifyMemberAccess(Class currentClass,
105                                             // Declaring class of field
106                                             // or method
107                                             Class  memberClass,
108                                             // May be NULL in case of statics
109                                             Object target,
110                                             int    modifiers)
111    {
112        // Verify that currentClass can access a field, method, or
113        // constructor of memberClass, where that member's access bits are
114        // "modifiers".
115
116        boolean gotIsSameClassPackage = false;
117        boolean isSameClassPackage = false;
118
119        if (currentClass == memberClass) {
120            // Always succeeds
121            return true;
122        }
123
124        if (!Modifier.isPublic(getClassAccessFlags(memberClass))) {
125            isSameClassPackage = isSameClassPackage(currentClass, memberClass);
126            gotIsSameClassPackage = true;
127            if (!isSameClassPackage) {
128                return false;
129            }
130        }
131
132        // At this point we know that currentClass can access memberClass.
133
134        if (Modifier.isPublic(modifiers)) {
135            return true;
136        }
137
138        boolean successSoFar = false;
139
140        if (Modifier.isProtected(modifiers)) {
141            // See if currentClass is a subclass of memberClass
142            if (isSubclassOf(currentClass, memberClass)) {
143                successSoFar = true;
144            }
145        }
146
147        if (!successSoFar && !Modifier.isPrivate(modifiers)) {
148            if (!gotIsSameClassPackage) {
149                isSameClassPackage = isSameClassPackage(currentClass,
150                                                        memberClass);
151                gotIsSameClassPackage = true;
152            }
153
154            if (isSameClassPackage) {
155                successSoFar = true;
156            }
157        }
158
159        if (!successSoFar) {
160            return false;
161        }
162
163        if (Modifier.isProtected(modifiers)) {
164            // Additional test for protected members: JLS 6.6.2
165            Class targetClass = (target == null ? memberClass : target.getClass());
166            if (targetClass != currentClass) {
167                if (!gotIsSameClassPackage) {
168                    isSameClassPackage = isSameClassPackage(currentClass, memberClass);
169                    gotIsSameClassPackage = true;
170                }
171                if (!isSameClassPackage) {
172                    if (!isSubclassOf(targetClass, currentClass)) {
173                        return false;
174                    }
175                }
176            }
177        }
178
179        return true;
180    }

在这个方法中如果是私有的就会返回false。于是就会抛出异常。

 if (!verifyMemberAccess(currentClass, memberClass, target, modifiers)) {
95             throw new IllegalAccessException("Class " + currentClass.getName() + 96 " can not access a member of class " + 97 memberClass.getName() + 98 " with modifiers \"" + 99 Modifier.toString(modifiers) + 100 "\"");
101        }

至于为什么不能声明私有，为何要抛出这个异常，目前对于sun.reflect.misc.ReflectUtil还没有深入研究。所以暂时做个笔记。

    原文作者：JUC
    原文地址: https://blog.csdn.net/pengdandezhi/article/details/66550294
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