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Java并发编程之原子变量

发表于 2018-7-8 19:30:05
原子变量最主要的一个特点就是所有的操作都是原子的,synchronized关键字也可以做到对变量的原子操作。只是synchronized的成本相对较高,需要获取锁对象,释放锁对象,如果不能获取到锁,还需要阻塞在阻塞队列上进行等待。而如果单单只是为了解决对变量的原子操作,建议使用原子变量。关于原子变量的介绍,主要涉及以下内容:
原子变量的基本概念
通过AtomicInteger了解原子变量的基本使用
通过AtomicInteger了解原子变量的基本原理
AtomicReference的基本使用
使用FieldUpdater操作非原子变量的字段属性
经典的ABA问题的解决
一、原子变量的基本概念
     原子变量保证了该变量的所有操作都是原子的,不会因为多线程的同时访问而导致脏数据的读取问题。我们先看一段synchronized关键字保证变量原子性的代码:




简单的count++操作,线程对象首先需要获取到Counter 类实例的对象锁,然后完成自增操作,最后释放对象锁。整个过程中,无论是获取锁还是释放锁都是相当消耗成本的,一旦不能获取到锁,还需要阻塞当前线程等等。
对于这种情况,我们可以将count变量声明成原子变量,那么对于count的自增操作都可以以原子的方式进行,就不存在脏数据的读取了。Java给我们提供了以下几种原子类型:
AtomicInteger和AtomicIntegerArray:基于Integer类型
AtomicBoolean:基于Boolean类型
AtomicLong和AtomicLongArray:基于Long类型
AtomicReference和AtomicReferenceArray:基于引用类型
在本文的余下内容中,我们将主要介绍AtomicInteger和AtomicReference两种类型,AtomicBoolean和AtomicLong的使用和内部实现原理几乎和AtomicInteger一样。
二、AtomicInteger的基本使用
    首先看它的两个构造函数:
可以看到,我们在通过构造函数构造AtomicInteger原子变量的时候,如果指定一个int的参数,那么该原子变量的值就会被赋值,否则就是默认的数值0。
也有获取和设置这个value值的方法:
当然,这两个方法并不是原子的,所以一般也很少使用,而以下的这些基于原子操作的方法则相对使用的频繁,至于它们的具体实现是怎样的,我们将在本文的后续小节中进行简单的学习。
下面我们实现一个计数器的例子,之前我们使用synchronized实现过,现在我们使用原子变量再次实现该问题。
很显然,使用原子变量要比使用synchronized要简洁的多并且效率也相对较高。
三、AtomicInteger的内部基本原理
AtomicInteger的实现原理有点像我们的包装类,内部主要操作的是value字段,这个字段保存就是原子变量的数值。value字段定义如下:
private volatile int value;
首先value字段被volatile修饰,即不存在内存可见性问题。由于其内部实现原子操作的代码几乎类似,我们主要学习下incrementAndGet方法的实现。
在揭露该方法的实现原理之前,我们先看另一个方法:
compareAndSet方法又被称为CAS,该方法调用unsave的一个compareAndSwapInt方法,这个方法是native,我们看不到源码,但是我们需要知道该方法完成的一个目标:比较当前原子变量的值是否等于expect,如果是则将其修改为update并返回true,否则直接返回false。当然,这个操作本身就是原子的,较为底层的实现。
在jdk1.7之前,我们的incrementAndGet方法是这样实现的:
方法体是一个死循环,current获取到当前原子变量中的值,由于value被修饰volatile,所以不存在内存可见性问题,数据一定是最新的。然后current加一后赋值给next,调用我们的CAS原子操作判断value是否被别的线程修改过,如果还是原来的值,那么将next的值赋值给value并返回next,否则重新获取当前value的值,再次进行判断,直到操作完成。




incrementAndGet方法的一个很核心的思想是,在加一之前先去看看value的值是多少,真正加的时候再去看一下,如果发现变了,不操作数据,否则为value加一。
但是在jdk1.8以后,做了一些优化,但是最后还是调用的compareAndSwapInt方法。但基本思想还是没变。
四、AtomicReference的基本使用
对于一些自定义类或者字符串等这些引用类型,Java并发包也提供了原子变量的接口支持。AtomicReference内部使用泛型来实现的。




有关其他的一些原子方法如下:




AtomicReference中少了一些自增自减的操作,但是对于value的修改依然是原子的。
五、使用FieldUpdater操作非原子变量的字段属性
FieldUpdater允许我们不必将字段设置为原子变量,利用反射直接以原子方式操作字段。例如:




然后我们创建一百个线程随机调用同一个Counter对象的addCount方法,无论运行多少次,结果都是一百。这种方式实现的原子操作,对于被操作的变量不需要被包装成原子变量,但是却可以直接以原子方式操作它的数值。
六、经典的ABA问题
我们的原子变量都依赖一个核心的方法,那就是CAS。这个方法最核心的思想就是,更改变量值之前先获取该变量当前最新的值,然后在实际更改的时候再次获取该变量的值,如果没有被修改,那么进行更改,否则循环上述操作直至更改操作完成。假如一个线程想要对变量count进行修改,实际操作之前获取count的值为A,此时来了一个线程将count值修改为B,又来一个线程获取count的值为B并将count修改为A,此时第一个线程全然不知道count的值已经被修改两次了,虽然值还是A,但是实际上数据已经是脏的。
这就是典型的ABA问题,一个解决办法是,对count的每次操作都记录下当前的一个时间戳,这样当我们原子操作count之前,不仅查看count的最新数值,还记录下该count的时间戳,在实际操作的时候,只有在count的数值和时间戳都没有被更改的情况之下才完成修改操作。




AtomicStampedReference 的CAS方法要求传入四个参数,该方法的内部会同时比较count和stamp,只有这两个值都没有发生改变的前提下,CAS才会修改count的值。
上述我们介绍了有关原子变量的最基本内容,最后我们比较下原子变量和synchronized关键字的区别。
从思维模式上看,原子变量代表一种乐观的非阻塞式思维,它假定没有别人会和我同时操作某个变量,于是在实际修改变量的值的之前不会锁定该变量,但是修改变量的时候是使用CAS进行的,一旦发现冲突,继续尝试直到成功修改该变量。
而synchronized关键字则是一种悲观的阻塞式思维,它认为所有人都会和我同时来操作某个变量,于是在将要操作该变量之前会加锁来锁定该变量,进而继续操作该变量。
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