Java多線程Atomic包操作原子變量與原子類的示例分析

這篇文章主要介紹Java多線程Atomic包操作原子變量與原子類的示例分析，文中介紹的非常詳細(xì)，具有一定的參考價值，感興趣的小伙伴們一定要看完！

一、何謂Atomic？

Atomic一詞跟原子有點(diǎn)關(guān)系，后者曾被人認(rèn)為是最小物質(zhì)的單位。計(jì)算機(jī)中的Atomic是指不能分割成若干部分的意思。如果一段代碼被認(rèn)為是Atomic，則表示這段代碼在執(zhí)行過程中，是不能被中斷的。通常來說，原子指令由硬件提供，供軟件來實(shí)現(xiàn)原子方法（某個線程進(jìn)入該方法后，就不會被中斷，直到其執(zhí)行完成）

在x86平臺上，CPU提供了在指令執(zhí)行期間對總線加鎖的手段。CPU芯片上有一條引線#HLOCKpin，如果匯編語言的程序中在一條指令前面加上前綴"LOCK"，經(jīng)過匯編以后的機(jī)器代碼就使CPU在執(zhí)行這條指令的時候把#HLOCKpin的電位拉低，持續(xù)到這條指令結(jié)束時放開，從而把總線鎖住，這樣同一總線上別的CPU就暫時不能通過總線訪問內(nèi)存了，保證了這條指令在多處理器環(huán)境中的原子性。

二、java.util.concurrent中的原子變量

無論是直接的還是間接的，幾乎java.util.concurrent包中的所有類都使用原子變量，而不使用同步。類似ConcurrentLinkedQueue的類也使用原子變量直接實(shí)現(xiàn)無等待算法，而類似ConcurrentHashMap的類使用ReentrantLock在需要時進(jìn)行鎖定。然后，ReentrantLock使用原子變量來維護(hù)等待鎖定的線程隊(duì)列。

如果沒有JDK5.0中的JVM改進(jìn)，將無法構(gòu)造這些類，這些改進(jìn)暴露了（向類庫，而不是用戶類）接口來訪問硬件級的同步原語。然后，java.util.concurrent中的原子變量類和其他類向用戶類公開這些功能

java.util.concurrent.atomic的原子類

這個包里面提供了一組原子類。其基本的特性就是在多線程環(huán)境下，當(dāng)有多個線程同時執(zhí)行這些類的實(shí)例包含的方法時，具有排他性，即當(dāng)某個線程進(jìn)入方法，執(zhí)行其中的指令時，不會被其他線程打斷，而別的線程就像自旋鎖一樣，一直等到該方法執(zhí)行完成，才由JVM從等待隊(duì)列中選擇一個另一個線程進(jìn)入，這只是一種邏輯上的理解。實(shí)際上是借助硬件的相關(guān)指令來實(shí)現(xiàn)的，不會阻塞線程(或者說只是在硬件級別上阻塞了)。其中的類可以分成4組

AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference 
AtomicIntegerArray，AtomicLongArray 
AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater 
AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference，AtomicReferenceArray 

其中AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference是類似的。

首先AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference內(nèi)部api是類似的：舉個AtomicReference的例子

使用AtomicReference創(chuàng)建線程安全的堆棧

public class LinkedStack<T> {
	private AtomicReference<Node<T>> stacks = new AtomicReference<Node<T>>();
	public T push(T e) {
		Node<T> oldNode, newNode;
		while (true) {
			//這里的處理非常的特別，也是必須如此的。 
			oldNode = stacks.get();
			newNode = new Node<T>(e, oldNode);
			if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {
				return e;
			}
		}
	}
	public T pop() {
		Node<T> oldNode, newNode;
		while (true) {
			oldNode = stacks.get();
			newNode = oldNode.next;
			if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {
				return oldNode.object;
			}
		}
	}
	private static final class Node<T> {
		private T object;
		private Node<T> next;
		private Node(T object, Node<T> next) {
			this.object = object;
			this.next = next;
		}
	}
}

然后關(guān)注字段的原子更新。

AtomicIntegerFieldUpdater<T>/AtomicLongFieldUpdater<T>/AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>是基于反射的原子更新字段的值。

相應(yīng)的API也是非常簡單的，但是也是有一些約束的。

（1）字段必須是volatile類型的！volatile到底是個什么東西。請查看《Java中Volatile關(guān)鍵字詳解》

（2）字段的描述類型（修飾符public/protected/default/private）是與調(diào)用者與操作對象字段的關(guān)系一致。也就是說調(diào)用者能夠直接操作對象字段，那么就可以反射進(jìn)行原子操作。但是對于父類的字段，子類是不能直接操作的，盡管子類可以訪問父類的字段。

（3）只能是實(shí)例變量，不能是類變量，也就是說不能加static關(guān)鍵字。

（4）只能是可修改變量，不能使final變量，因?yàn)閒inal的語義就是不可修改。實(shí)際上final的語義和volatile是有沖突的，這兩個關(guān)鍵字不能同時存在。

（5）對于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long類型的字段，不能修改其包裝類型（Integer/Long）。如果要修改包裝類型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

在下面的例子中描述了操作的方法。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {
	class DemoData{
		public volatile int value1 = 1;
		volatile int value2 = 2;
		protected volatile int value3 = 3;
		private volatile int value4 = 4;
	}
	AtomicIntegerFieldUpdater<DemoData> getUpdater(String fieldName) {
		return AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(DemoData.class, fieldName);
	}
	void doit() {
		DemoData data = new DemoData();
		System.out.println("1 ==> "+getUpdater("value1").getAndSet(data, 10));
		System.out.println("3 ==> "+getUpdater("value2").incrementAndGet(data));
		System.out.println("2 ==> "+getUpdater("value3").decrementAndGet(data));
		System.out.println("true ==> "+getUpdater("value4").compareAndSet(data, 4, 5));
	}
	public static void main(String[] args) {
		AtomicIntegerFieldUpdaterDemo demo = new AtomicIntegerFieldUpdaterDemo();
		demo.doit();
	}
}

在上面的例子中DemoData的字段value3/value4對于AtomicIntegerFieldUpdaterDemo類是不可見的，因此通過反射是不能直接修改其值的。

AtomicMarkableReference類描述的一個<Object,Boolean>的對，可以原子的修改Object或者Boolean的值，這種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)在一些緩存或者狀態(tài)描述中比較有用。這種結(jié)構(gòu)在單個或者同時修改Object/Boolean的時候能夠有效的提高吞吐量。

AtomicStampedReference類維護(hù)帶有整數(shù)“標(biāo)志”的對象引用，可以用原子方式對其進(jìn)行更新。對比AtomicMarkableReference類的<Object,Boolean>，AtomicStampedReference維護(hù)的是一種類似<Object,int>的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，其實(shí)就是對對象（引用）的一個并發(fā)計(jì)數(shù)。但是與AtomicInteger不同的是，此數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)可以攜帶一個對象引用（Object），并且能夠?qū)Υ藢ο蠛陀?jì)數(shù)同時進(jìn)行原子操作。

在本文結(jié)尾會提到“ABA問題”，而AtomicMarkableReference/AtomicStampedReference在解決“ABA問題”上很有用。

三、Atomic類的作用

使得讓對單一數(shù)據(jù)的操作，實(shí)現(xiàn)了原子化

使用Atomic類構(gòu)建復(fù)雜的，無需阻塞的代碼

訪問對2個或2個以上的atomic變量（或者對單個atomic變量進(jìn)行2次或2次以上的操作）通常認(rèn)為是需要同步的，以達(dá)到讓這些操作能被作為一個原子單元。

無鎖定且無等待算法

基于CAS（compareandswap）的并發(fā)算法稱為無鎖定算法，因?yàn)榫€程不必再等待鎖定（有時稱為互斥或關(guān)鍵部分，這取決于線程平臺的術(shù)語）。無論CAS操作成功還是失敗，在任何一種情況中，它都在可預(yù)知的時間內(nèi)完成。如果CAS失敗，調(diào)用者可以重試CAS操作或采取其他適合的操作。

如果每個線程在其他線程任意延遲（或甚至失?。r都將持續(xù)進(jìn)行操作，就可以說該算法是無等待的。與此形成對比的是，無鎖定算法要求僅某個線程總是執(zhí)行操作。（無等待的另一種定義是保證每個線程在其有限的步驟中正確計(jì)算自己的操作，而不管其他線程的操作、計(jì)時、交叉或速度。這一限制可以是系統(tǒng)中線程數(shù)的函數(shù)；例如，如果有10個線程，每個線程都執(zhí)行一次CasCounter.increment()操作，最壞的情況下，每個線程將必須重試最多九次，才能完成增加。）

再過去的15年里，人們已經(jīng)對無等待且無鎖定算法（也稱為無阻塞算法）進(jìn)行了大量研究，許多人通用數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了無阻塞算法。無阻塞算法被廣泛用于操作系統(tǒng)和JVM級別，進(jìn)行諸如線程和進(jìn)程調(diào)度等任務(wù)。雖然它們的實(shí)現(xiàn)比較復(fù)雜，但相對于基于鎖定的備選算法，它們有許多優(yōu)點(diǎn)：可以避免優(yōu)先級倒置和死鎖等危險，競爭比較便宜，協(xié)調(diào)發(fā)生在更細(xì)的粒度級別，允許更高程度的并行機(jī)制等等。

常見的：

非阻塞的計(jì)數(shù)器Counter

非阻塞堆棧ConcurrentStack

非阻塞的鏈表ConcurrentLinkedQueue

ABA問題：

因?yàn)樵诟腣之前，CAS主要詢問“V的值是否仍為A”，所以在第一次讀取V以及對V執(zhí)行CAS操作之前，如果將值從A改為B，然后再改回A，會使基于CAS的算法混亂。在這種情況下，CAS操作會成功，但是在一些情況下，結(jié)果可能不是您所預(yù)期的。這類問題稱為ABA問題，通常通過將標(biāo)記或版本編號與要進(jìn)行CAS操作的每個值相關(guān)聯(lián)，并原子地更新值和標(biāo)記，來處理這類問題。AtomicStampedReference類支持這種方法。

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