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Java的原子性Atomic如何使用

线程安全当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协调,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类时线程安全的。线程安全主要体现在以下三个方面原子性:提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程对它进行操作可见性:一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到有序性:一个线程观察其他线程中的指令执行顺序,由于指令重排序的存在,该观察结果一般杂乱无序JUC中的Atomic包详解Atomic包中提供了很多Atomicxxx的类:它们都是

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    线程安全

    当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协调,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类时线程安全的。

    线程安全主要体现在以下三个方面

    • 原子性:提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程对它进行操作

    • 可见性:一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到

    • 有序性:一个线程观察其他线程中的指令执行顺序,由于指令重排序的存在,该观察结果一般杂乱无序

    JUC中的Atomic包详解

    Atomic包中提供了很多Atomicxxx的类:

    Java的原子性Atomic如何使用

    它们都是CAS(compareAndSwap)来实现原子性。

    先写一个简单示例如下:

    @Slf4j
    public class AtomicExample1 { 
        // 请求总数
        public static int clientTotal = 5000; 
        // 同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200; 
        public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); 
        public static void main(String[] args) throws Exception {
    
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
                executorService.execute(() -> {
                    try {
                        semaphore.acquire();
                        add();
                        semaphore.release();
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
            log.info("count:{}", count.get());
        }
     
        private static void add() {
            count.incrementAndGet();
        }
    }

    可以发下每次的运行结果总是我们想要的预期结果5000。说明该计数方法是线程安全的。

    我们查看下count.incrementAndGet()方法,它的第一个参数为对象本身,第二个参数为valueOffset是用来记录value本身在内存的编译地址的,这个记录,也主要是为了在更新操作在内存中找到value的位置,方便比较,第三个参数为常量1

    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; 
     
        ... 此处省略多个方法...
     
        /**
         * Atomically increments by one the current value.
         *
         * @return the updated value
         */
        public final int incrementAndGet() {
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
        }
    }

    AtomicInteger源码里使用了一个Unsafe的类,它提供了一个getAndAddInt的方法,我们继续点看查看它的源码:

    public final class Unsafe {
        private static final Unsafe theUnsafe;
     
        ....此处省略很多方法及成员变量.... 
     
     public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
            int var5;
            do {
                var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); 
            return var5;
        } 
     
     public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); 
     public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
    }

    可以看到这里使用了一个do while语句来做主体实现的。而在while语句里它的核心是调用了一个compareAndSwapInt()的方法。它是一个native方法,它是一个底层的方法,不是使用Java来实现的。

    假设我们要执行0+1=0的操作,下面是单线程情况下各参数的值:

    Java的原子性Atomic如何使用

    Java的原子性Atomic如何使用

    更新后:

    Java的原子性Atomic如何使用

    compareAndSwapInt()方法的第一个参数(var1)是当前的对象,就是代码示例中的count。此时它的值为0(期望值)。第二个值(var2)是传递的valueOffset值,它的值为12。第三个参数(var4)就为常量1。方法中的变量参数(var5)是根据参数一和参数二valueOffset,调用底层getIntVolatile方法得到的值,此时它的值为0 。compareAndSwapInt()想要达到的目标是对于count这个对象,如果当前的期望值var1里的value跟底层的返回的值(var5)相同的话,那么把它更新成var5+var4这个值。不同的话重新循环取期望值(var5)直至当前值与期望值相同才做更新。compareAndSwap方法的核心也就是我们通常所说的CAS。

    Atomic包下其他的类如AtomicLong等的实现原理基本与上述一样。

    这里再介绍下LongAdder这个类,通过上述的分析,我们已经知道了AtomicLong使用CAS:在一个死循环内不断尝试修改目标值直到修改成功。如果在竞争不激烈的情况下,它修改成功概率很高。反之,如果在竞争激烈的情况下,修改失败的概率会很高,它就会进行多次的循环尝试,因此性能会受到一些影响。

    对于普通类型的long和double变量,jvm允许将64位的读操作或写操作拆成两个32位的操作。LongAdder的核心思想是将热点数据分离,它可以将AtomicLong内部核心数据value分离成一个数组,每个线程访问时通过hash等算法映射到其中一个数字进行计数。而最终的计数结果则为这个数组的求和累加,其中热点数据value,它会被分离成多个单元的cell,每个cell独自维护内部的值,当前对象的实际值由所有的cell累计合成。这样,热点就进行了有效的分离,提高了并行度。LongAdder相当于在AtomicLong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点上,在低并发的时候对base的直接更新可以很好的保障跟Atomic的性能基本一致。而在高并发的时候,通过分散提高了性能。但是如果在统计的时候有并发更新,可能会导致统计的数据有误差。

    在实际高并发计数的时候,可以优先使用LongAdder。在低并行度或者需要准确数值的时候可以优先使用AtomicLong,这样反而效率更高。

    下面简单的演示下Atomic包下AtomicReference简单的用法:

    @Slf4j
    public class AtomicExample4 { 
        private static AtomicReference count = new AtomicReference<>(0); 
        public static void main(String[] args) {
            count.compareAndSet(0, 2); 
            count.compareAndSet(0, 1); 
            log.info("count:{}", count.get());
        }
    }

    compareAndSet()分别传入的是预期值跟更新值,只有当预期值跟当前值相等时,才会将值更新为更新值;

    上面的第一个方法可以将值更新为2,而第二个步中无法将值更新为1。

    下面简单介绍下AtomicIntegerFieldUpdater 用法(利用原子性去更新某个类的实例):

    @Slf4j
    public class AtomicExample5 { 
        private static AtomicIntegerFieldUpdater updater =
                AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicExample5.class, "count");
     
        @Getter
        private volatile int count = 100; 
        public static void main(String[] args) { 
            AtomicExample5 example5 = new AtomicExample5();
     
            if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) {
                log.info("update success 1, {}", example5.getCount());
            }
     
            if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) {
                log.info("update success 2, {}", example5.getCount());
            } else {
                log.info("update failed, {}", example5.getCount());
            }
        }
    }

    它可以更新某个类中指定成员变量的值。

    注意:修改的成员变量需要用volatile关键字来修饰,并且不能是static描述的字段。

    AtomicStampReference这个类它的核心是要解决CAS的ABA问题(CAS操作的时候,其他线程将变量的值A改成了B,接着又改回了A,等线程使用期望值A与当前变量进行比较的时候,发现A变量没有变,于是CAS就将A值进行了交换操作。

    实际上该值已经被其他线程改变过)。

    ABA问题的解决思路就是每次变量变更的时候,就将版本号加一。

    看一下它的一个核心方法compareAndSet():

    public class AtomicStampedReference { 
        private static class Pair {
            final T reference;
            final int stamp;
            private Pair(T reference, int stamp) {
                this.reference = reference;
                this.stamp = stamp;
            }
            static  Pair of(T reference, int stamp) {
                return new Pair(reference, stamp);
            }
        }
     
       ... 此处省略多个方法 ....
     
       public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                     V   newReference,
                                     int expectedStamp,
                                     int newStamp) {
            Pair current = pair;
            return
                expectedReference == current.reference &&
                expectedStamp == current.stamp &&
                ((newReference == current.reference &&
                  newStamp == current.stamp) ||
                 casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
        }
    }

    可以看到它多了一个stamp的比较,stamp的值是由每次更新的时候进行维护的。

    再介绍下AtomicLongArray,它维护了一个数组。在该数组下,我们可以选择性的已原子性操作更新某个索引对应的值。

    public class AtomicLongArray implements java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = -2308431214976778248L;
     
        private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
     
        ...此处省略....
     
     
        /**
         * Atomically sets the element at position {@code i} to the given value
         * and returns the old value.
         *
         * @param i the index
         * @param newValue the new value
         * @return the previous value
         */
        public final long getAndSet(int i, long newValue) {
            return unsafe.getAndSetLong(array, checkedByteOffset(i), newValue);
        }
     
        /**
         * Atomically sets the element at position {@code i} to the given
         * updated value if the current value {@code ==} the expected value.
         *
         * @param i the index
         * @param expect the expected value
         * @param update the new value
         * @return {@code true} if successful. False return indicates that
         * the actual value was not equal to the expected value.
         */
        public final boolean compareAndSet(int i, long expect, long update) {
            return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
        }
    }

    最后再写一个AtomcBoolean的简单使用:

    @Slf4j
    public class AtomicExample6 { 
        private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);
     
        // 请求总数
        public static int clientTotal = 5000;
     
        // 同时并发执行的线程数
        public static int threadTotal = 200;
     
        public static void main(String[] args) throws Exception {
            ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
            final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
            final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
            for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
                executorService.execute(() -> {
                    try {
                        semaphore.acquire();
                        test();
                        semaphore.release();
                    } catch (Exception e) {
                        log.error("exception", e);
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                });
            }
            countDownLatch.await();
            executorService.shutdown();
            log.info("isHappened:{}", isHappened.get());
        }
     
        private static void test() {
            if (isHappened.compareAndSet(false, true)) {
                log.info("execute");
            }
        }
    }
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