【并发编程】JUC原子操作类

news/2024/5/20 6:37:35 标签: spring boot, 开发语言, juc, 并发编程

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原子操作类

  • 原子基本数据类型
  • 原子数组
  • 原子引用类型
  • 原子更新字段类型

原子基本数据类型

  • AtomicBoolean
  • AtomicInteger
  • AtomicLong
以 AtomicInteger 为例

方法如下：(见名知意)

package 并发;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Test2 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
        // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
        System.out.println(i.getAndIncrement());

        // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
        System.out.println(i.incrementAndGet());

        // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
        System.out.println(i.decrementAndGet());

        // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
        System.out.println(i.getAndDecrement());

        // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
        System.out.println(i.getAndAdd(5));

        // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
        System.out.println(i.addAndGet(-5));

        // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));

        // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
        
        // 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
        // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
        System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
        
        // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
    }
}

原子引用

为什么需要原子引用类型？

AtomicReference的引入是为了可以用一种类似乐观锁的方式操作共享资源，在某些情景下以提升性能

如果需要原子更新引用类型变量的话，为了保证线程安全，atomic也提供了相关的类：

  • AtomicReference
  • AtomicMarkableReference
  • AtomicStampedReference

常用方法

DecimalAccount 接口
public interface DecimalAccount {
    // 获取余额
    BigDecimal getBalance();
    // 取款
    void withdraw(BigDecimal amount);
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(DecimalAccount account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

试着提供不同的 DecimalAccount 实现，实现安全的取款操作

不安全实现
class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
    BigDecimal balance;
    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
        this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}
安全实现-使用锁
class DecimalAccountSafeLock implements DecimalAccount {
    private final Object lock = new Object();
    BigDecimal balance;
    public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        synchronized (lock) {
            BigDecimal balance = this.getBalance();
            this.balance = balance.subtract(amount);
        }
    }
}
安全实现-使用 CAS
class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {
    AtomicReference<BigDecimal> ref;
    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        ref = new AtomicReference<>(balance);
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return ref.get();
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = ref.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (ref.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}
测试代码
DecimalAccount.demo(new DecimalAccountUnsafe(new BigDecimal("10000")));
DecimalAccount.demo(new DecimalAccountSafeLock(new BigDecimal("10000")));
DecimalAccount.demo(new DecimalAccountSafeCas(new BigDecimal("10000")));

ABA 问题及解决

ABA 问题

        当执行campare and swap会出现失败的情况。例如，一个线程先读取共享内存数据值A，随后因某种原因，线程暂时挂起，同时另一个线程临时将共享内存数据值先改为B，随后又改回为A。随后挂起线程恢复，并通过CAS比较，最终比较结果将会无变化。这样会通过检查，这就是ABA问题。 在CAS比较前会读取原始数据，随后进行原子CAS操作。这个间隙之间由于并发操作，最终可能会带来问题。

static AtomicReference<String> ref=new AtomicReference<>("A");
public static void main(String[]args)throws InterruptedException{
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        // 这个共享变量被它线程修改过？
        String prev=ref.get();
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}",ref.compareAndSet(prev,"C"));
        }
private static void other(){
        new Thread(()->{
        log.debug("change A->B {}",ref.compareAndSet(ref.get(),"B"));
        },"t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(()->{
        log.debug("change B->A {}",ref.compareAndSet(ref.get(),"A"));
        },"t2").start();
        }

解决如下： 

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又 改回 A 的情况，如果主线程希望：

只要有其它线程【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号

AtomicStampedReference

        AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A ->C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

这里就不再获取原来的值作为是否更改的依据，而是依照版本号

static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        //这里就不再获取原来的值作为是否更改的依据，而是依照版本号
        String prev = ref.getReference();
        // 获取版本号
        int stamp = ref.getStamp();
        log.debug("版本 {}", stamp);
        // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
        }
private static void other() {
        new Thread(() -> {
        log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
        ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
        log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
        ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t2").start();
        }

输出为

但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了

AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference的唯一区别就是不再用int标识引用，而是使用boolean变量——表示引用变量是否被更改过。

class GarbageBag {
    String desc;
    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
}
@Slf4j
public class TestABAAtomicMarkableReference {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {}
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}

输出

可以注释掉打扫卫生线程代码，再观察输出

原子数组

  • AtomicIntegerArray
  • ArrayAtomicLongArray
  • AtomicReferenceArray

这几个类的用法一致，就以AtomicIntegerArray来总结下常用的方法：

  • addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加；
  • getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1；
  • compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为i的位置的元素进行更新
/**
 参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
 参数2，获取数组长度的方法
 参数3，自增方法，回传 array, index
 参数4，打印数组的方法
 */
// supplier 提供者 无中生有 ()->结果
// function 函数 一个参数一个结果 (参数)->结果 , BiFunction (参数1,参数2)->结果
// consumer 消费者 一个参数没结果 (参数)->void, BiConsumer (参数1,参数2)->void

private static <T> void demo(
          Supplier<T> arraySupplier,
          Function<T, Integer> lengthFun,
          BiConsumer<T, Integer> putConsumer,
          Consumer<T> printConsumer ) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
        // 每个线程对数组作 10000 次操作
        ts.add(new Thread(() -> {
        for (int j = 0; j < 10000; j++) {
        putConsumer.accept(array, j%length);
        }
        }));
        }
        ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
        ts.forEach(t -> {
        try {
        t.join();
        } catch (InterruptedException e) {
        e.printStackTrace();
        }
        }); // 等所有线程结束
        printConsumer.accept(array);
不安全的数组
demo(
        ()->new int[10],
        (array)->array.length,
        (array, index) -> array[index]++,
        array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
        );

结果

 安全的数组
demo(
        ()-> new AtomicIntegerArray(10),
        (array) -> array.length(),
        (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
        array -> System.out.println(array)
        );

结果

字段更新器

  • AtomicReferenceFieldUpdater // 域 字段
  • AtomicIntegerFieldUpdater
  • AtomicLongFieldUpdater
使用
  • 原子更新字段类都是抽象类，只能通过静态方法 newUpdater 来创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性；
  • 更新类的属性必须使用 public volatile 进行修饰；
限制：
  • 字段必须是volatile类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见
  • 字段的描述类型（修饰符public/protected/default/private）是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。
  • 对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。
  • 只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。
  • 只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。
  • 对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型（Integer/Long）。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

public class Test5 {
    private volatile int field;
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater =
                AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test5.class, "field");
        Test5 test5 = new Test5();
        
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 0, 10);
        // 修改成功 field = 10
        System.out.println(test5.field);
        
        // 修改成功 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 20);
        System.out.println(test5.field);
        
        // 修改失败 field = 20
        fieldUpdater.compareAndSet(test5, 10, 30);
        System.out.println(test5.field);
    }
}

输出

 


http://www.niftyadmin.cn/n/5359934.html

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