Java并发之原子变量Atomic
Java从JDK1.5开始提供了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 类
在Atomic包里一共有12个原子类,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,原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。
原子更新基本类型类
用于通过原子的方式更新基本类型,Atomic包提供了以下三个类:
- AtomicBoolean:原子更新布尔类型。
- AtomicInteger:原子更新整型。
- AtomicLong:原子更新长整型。
AtomicInteger的常用方法如下:
- int addAndGet(int delta) :以原子方式将输入的数值与实例中的值(AtomicInteger里的value)相加,并返回结果
- boolean compareAndSet(int expect, int update) :如果输入的数值等于预期值,则以原子方式将该值设置为输入的值。
- int getAndIncrement():以原子方式将当前值加1,注意:这里返回的是自增前的值。
- void lazySet(int newValue):最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后,可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
- int getAndSet(int newValue):以原子方式设置为newValue的值,并返回旧值。
Atomic包提供了三种基本类型的原子更新,但是Java的基本类型里还有char,float和double等。那么问题来了,如何原子的更新其他的基本类型呢?Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的,Unsafe只提供了三种CAS方法,compareAndSwapObject,compareAndSwapInt和compareAndSwapLong,再看AtomicBoolean源码,发现其是先把Boolean转换成整型,再使用compareAndSwapInt进行CAS,所以原子更新float和double也可以用类似的思路来实现(提示:可以使用 Float.floatToIntBits 和 Float.intBitstoFloat 转换来保存浮点数,使用 Double.doubleToLongBits 和 Double.longBitsToDouble 转换来保存双精度)。
实现原理分析
以AtomicInteger.incrementAndGet()
方法为例:
1 | private volatile int value; |
- 使用了volatile 来保证多线程的可见性(cas的情况下一定只有一个线程写成功),主要是用于未内部调用unsafe类方法的原子类方法,例如
get()
。 - 方法中采用了CAS操作,每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作,如果成功就返回结果,否则重试直到成功为止。
原子更新数组类
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:原子更新整型数组里的元素。
- AtomicLongArray:原子更新长整型数组里的元素。
- AtomicReferenceArray:原子更新引用类型数组里的元素。
AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型,其常用方法如下:
- int addAndGet(int i, int delta):以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
- boolean compareAndSet(int i, int expect, 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。
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(不会修改数组引用对象的值),所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时,不会影响到传入的数组。
1 | public AtomicIntegerArray(int[] array) { |
使用例子:
1 | public class AtomicIntegerArrayTest { |
实现原理分析
以AtomicIntegerArray.set()
方法为例:
1 | private final int[] array; |
- 使用了unsafe类来获取数组元素的偏移地址。
- 使用了unsafe.putIntVolatile(此处的Volatile是C中的关键字,和java中的关键字并不一致)来保证操作原子性。
原子更新引用类型
原子更新基本类型的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。Atomic包提供了以下三个类:
- AtomicReference:原子更新引用类型。
- 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。
- 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。AtomicStampedReference可以知道,引用变量中途被更改了几次。有时候,我们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。
AtomicStampedReference将版本信息和对象存储为Pair,同时更新。
1 | private static class Pair<T> { |
使用例子:
1 | public class AtomicReferenceTest { |
原子更新字段类
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:原子更新长整型字段的更新器。
- AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用类型里的字段。
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(多线程可见)。
AtomicIntegerFieldUpdater的例子代码如下:
1 | public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest { |
实现原理
1 | private static final class AtomicIntegerFieldUpdaterImpl<T> extends AtomicIntegerFieldUpdater<T> { |
可以看到原子字段更新的原理是获取字段在对象中的偏移量,然后通过unsafe类的CAS方法进行更新。
额外提一句,在看源码的时候,你会发现一个很有意思的问题。在AtomticLong中有对平台是否支持CAS-Long的检查:
1 | /** |
这个检查结果也被用在了AtomicLongFieldUpdater的构造器中:
1 | public static <U> AtomicLongFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> tclass,String fieldName) { |
但是令人疑惑的是AtomLong中却是直接使用unsafe类的compareAndSwapLong方法,为啥不一样?
在openJDk的MailList里我找到一些解释😂。
1 |
|
正如mail中所说,unsafe.cpp 也支持了对平台的检查。所以AtomicLong可以直接使用Unsafe的方法。
1 | UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapLong(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jlong e, jlong x)) |
stripe64(累加器)
在Atomic包里除了上述的12个类,还有5个类。