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盘点Java中基于CAS实现的原子类

2023-02-28

int ref 原子
​前言JDK中提供了一系列的基于CAS实现的原子类，CAS的全称是Compare-And-Swap​，底层是lockcmpxchg指令，可以在单核和多核CPU下都能够保证比较交换的原子性。所以说，这些原子类都是线程安全的，而且是无锁并发，线程不会频繁上下文切换，所以在某些场景下性能是优于加锁。本文就

​前言

JDK中提供了一系列的基于CAS实现的原子类，CAS 的全称是Compare-And-Swap​，底层是lock cmpxchg指令，可以在单核和多核 CPU 下都能够保证比较交换的原子性。所以说，这些原子类都是线程安全的，而且是无锁并发，线程不会频繁上下文切换，所以在某些场景下性能是优于加锁。

本文就盘点一下JDK中的原子类，方便我们后续拿来使用。

基础原子类

  • AtomicInteger：Integer整数类型的原子操作类
  • AtomicBoolean：Boolean类型的原子操作类
  • AtomicLong：Long类型的原子操作类

这边以AtomicInteger讲解下它的API和用法。

构造方法：

  • public AtomicInteger()​：初始化一个默认值为 0 的原子型 Integer
  • public AtomicInteger(int initialValue)​：初始化一个指定值的原子型 Integer

常用API：

  • public final int get(): 获取 AtomicInteger 的值
  • public final int getAndIncrement(): 以原子方式将当前值加 1，返回的是自增前的值
  • public final int incrementAndGet()：以原子方式将当前值加 1，返回的是自增后的值
  • public final int getAndSet(int value)：以原子方式设置为 newValue 的值，返回旧值
  • public final int addAndGet(int data)：以原子方式将输入的数值与实例中的值相加并返回

使用：

  • 结果1000，大致说明并发情况下保证了线程安全

原理分析：

整体实现思路： 自旋（循环） + CAS算法

  • 当旧的预期值 A == 内存值 V 此时可以修改，将 V 改为 B
  • 当旧的预期值 A != 内存值 V 此时不能修改，并重新获取现在的最新值，重新获取的动作就是自旋
public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
 }
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valueOffset：偏移量表示该变量值相对于当前对象地址的偏移，Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据

从主内存中拷贝到工作内存中的值（每次都要从主内存拿到最新的值到本地内存），然后执行compareAndSwapInt()再和主内存的值进行比较，假设方法返回 false，那么就一直执行 while 方法，直到期望的值和真实值一样，修改数据。

原子类AtomicInteger的value​属性是volatile类型，保证了多线程之间的内存可见性，避免线程从工作缓存中获取失效的变量。

原子引用

原子引用主要是对对象的原子操作，原子引用类分为AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference。它们之间有什么区别呢？

AtomicReference类

普通的原子类对象

public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("旭阳");

        // 创建原子引用包装类
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>(user1);

        while (true) {
            User user2 = new User("alvin");
            // 比较并交换
            if (atomicReference.compareAndSet(user1, user2)) {
                break;
            }
        }
        System.out.println(atomicReference.get());
    }
}

@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
class User {
    private String name;
}
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调用compareAndSet()方法进行比较替换对象

ABA问题

但是如果使用AtomicReference类，会有一个ABA问题。什么意思呢？就是一个线程将共享变量从A改成B, 后面又改回A, 这是，另外一个线程就无法感知这个变化过程，就傻傻的比较，就以为没有变化，还是一开始的A，就替换了。 实际的确存在这样只要共享变量发生过变化，就要CAS失败，有什么办法呢？

AtomicStampedReference类

带版本号的原子类对象

@Slf4j(topic = "a.AtomicStampedReferenceTest")
public class AtomicStampedReferenceTest {
    // 构造AtomicStampedReference
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        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();
        Thread.sleep(1000);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }
    private static void other() throws InterruptedException {
        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();

        Thread.sleep(500);

        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();
    }
}
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  • 虽然对象的值变回了A，但是由于版本变了，所以主线程CAS失败

AtomicMarkableReference 类

其实有时候并不关心共享变量修改了几次，而是只要标记下是否发生过更改，是否加个标记即可，所以就有了AtomicMarkableReference类。

@Slf4j(topic = "c.AtomicMarkableReferenceTest")
public class AtomicMarkableReferenceTest {
    // 构造 AtomicMarkableReference, 初始标记为false
    static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", false);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        other();
        Thread.sleep(1000);
        // 看看是否发生了变化
        log.debug("change {}", ref.isMarked());
    }
    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B",
                    false, true));
        }, "t1").start();

        Thread.sleep(500);

        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A",
                    true, true));
        }, "t2").start();
    }
}
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通过调用isMarked()方法查看是否发生变化。

原子数组

  • AtomicIntegerArray: Integer类型的原子数组
  • AtomicLongArray：Long类型的原子数组
  • AtomicReferenceArray：引用类型的原子数组

直接上例子

public class AtomicIntegerArrayTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception{
        AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
        Thread t1 = new Thread(()->{
            int index;
            for(int i=1; i<100000; i++) {
                index = i%10; //范围0~9
                array.incrementAndGet(index);
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            int index;
            for(int i=1; i<100000; i++) {
                index = i%10; //范围0~9
                array.decrementAndGet(index);
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(5 * 1000);
        System.out.println(array.toString());
    }
}
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  • 两个线程同时对数组对象进行加和减的操作，最终结果都是0，说明线程安全。

原子字段更新器

  • AtomicReferenceFieldUpdater
  • AtomicIntegerFieldUpdater
  • AtomicLongFieldUpdater

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。

@Data
public class AtomicReferenceFieldUpdaterTest {

    private volatile int age = 10;

    private int age2;

    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater integerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdaterTest.class, "age");

        AtomicReferenceFieldUpdaterTest ref = new AtomicReferenceFieldUpdaterTest();
        // 对volatile 的age字段+1
        integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
        System.out.println(ref.getAge());

        // 修改 非volatile的age2
        integerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdaterTest.class, "age2");
        integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
    }
}
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  • 原子字段更新器只能更新volatile字段，它可以保证可见性，但是无法保证原子性。

原子累加器

原子累加器主要是用来做累加的，相关的类有LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator。

LongAdder​是jdk1.8中引入的，它的性能要比AtomicLong方式好。

LongAddr​ 类是 LongAccumulator​ 类的一个特例，只是 LongAccumulator​ 提供了更强大的功能，可以自定义累加规则，当accumulatorFunction​ 为 null 时就等价于 LongAddr。

这边做个性能的对比例子。

public class LongAdderTest {

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println("LongAdder ...........");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            addFunc(() -> new LongAdder(), adder -> adder.increment());
        }
        System.out.println("AtomicLong ...........");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            addFunc(() -> new AtomicLong(), adder -> adder.getAndIncrement());
        }
    }

    private static <T> void addFunc(Supplier<T> adderSupplier, Consumer<T> action) {
        T adder = adderSupplier.get();
        long start = System.nanoTime();
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();

        // 40个线程，每人累加 50 万
        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 500000; j++) {
                    action.accept(adder);
                }
            }));
        }
        ts.forEach(t -> t.start());
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(adder + " cost:" + (end - start)/1000_000);
    }
}
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主要是由于LongAdder会设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]... 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。

总结

本文总结了JDK中提供的各种原子类，包括基础原子类、原子引用类、原子数组类、原子字段更新器和原子累加器等。有时候，使用这些原子类的性能是比加锁要高的，特别是在读多写少的场景下。但是，不知道大家发现没有，所有的原子类操作对于一个共享变量执行操作是原子的，如果对于多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，还是老老实实加锁吧。

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