Atomic 原子类

简介

当程序更新一个变量时，如果多线程同时更新这个变量，可能得到期望之外的值。

通常我们会使用synchronized来解决这个问题，synchronized会保证多线程不会同时更新变量。但是synchronized的开销比较大，执行效率较低。

JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。

主要有四类原子更新方式：

原子更新基本类型
原子更新数组
原子更新引用
原子更新属性（字段）

Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

学习Unsafe：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html

原子更新基本类型

AtomicLong

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicInteger 的方法

方法	描述
public final int get()	获取当前的值
public final void set(int newValue)	设置为给定值
public final void lazySet(int newValue)	最终设置为给定值，设置后可能读到旧值（unsafe.putOrderedInt）
public final int getAndSet(int newValue)	原子方式设置为给定值，并返回旧值（unsafe.getAndSetInt）
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)	原子方式将该值设置为给定的更新值，如果当前值==预期值（unsafe.compareAndSwapInt）
public final int getAndIncrement()	获取当前的值，并自增1
public final int getAndDecrement()	获取当前的值，并自减1
public final int getAndAdd(int delta)	获取当前的值，并加上给定的值
public final int incrementAndGet()	自增1，并获取新值
public final int decrementAndGet()	自减1，并获取新值
public final int addAndGet(int delta)	加上给定的值，并获取新值
public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)	获取当前的值，并设置根据函数得到的新值
public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)	设置根据函数得到的新值，并得到新值

使用示例

public class AtomicIntegerTest {

   private static final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
   private static final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(10);

   public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
      for (int i = 0; i < 10; i++) {
         new Thread(() -> {
            atomicInteger.getAndIncrement();
            countDownLatch.countDown();
         }).start();
      }
      countDownLatch.await();
      System.out.println(atomicInteger.get());
   }

}

/*
返回值：10
*/

主要源码

主要利用了CAS的操作、使用volitile和Unsafe的native方法来保证了变量的原子操作。

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;

原子更新数组

AtomicIntegerArray

AtomicLongArray

AtomicReferenceArray

AtomicIntegerArray 方法

基本类似于AtomicInteger，会多个参数int i 来确定位置。

方法	描述
public final void set(int i, int newValue)	设置在位置`i`的元素为给定值。
public final int getAndSet(int i, int newValue)	以原子方式设置在位置`i`的元素为给定值，并返回原来的值。
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)	原子方式将位置`i`的元素设置为给定的更新值，如果当前值==预期值

使用示例

public class AtomicIntegerArrayTest {

   private static final int[] value = {1, 2, 3, 4};
   private static final AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(value);

   public static void main(String[] args) {
      for (int i = 0; i < 4; i++) {
         atomicIntegerArray.addAndGet(i, 5);
      }
      System.out.println(Arrays.toString(value));
      System.out.println(atomicIntegerArray.toString());
   }

}
/*
[1, 2, 3, 4]
[6, 7, 8, 9]
*/

源码

数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会复制一份，所以当AtomicIntegerArray对其数组内部进行修改时，不会影响传入的数组。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
private static final int shift;
private final int[] array;

static {
    int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
    if ((scale & (scale - 1)) != 0)
        throw new Error("data type scale not a power of two");
    shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
}

public AtomicIntegerArray(int length) {
    array = new int[length];
}

public AtomicIntegerArray(int[] array) {
    // Visibility guaranteed by final field guarantees
    this.array = array.clone();
}

原子更新引用

AtomicReference

AtomicMarkableReference

AtomicStampedReference

AtomicReference 方法

方法	描述
public final V getAndUpdate(UnaryOperator<V> updateFunction)	根据给定的函数原子更新值，并返回当前值。<br />如果多个线程竞争失败会重试。（compareAndSet）
public final V updateAndGet(UnaryOperator<V> updateFunction)	根据给定的函数原子更新值，并返回新值。

使用示例

public class AtomicReferenceTest {

   private static final AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();

   public static void main(String[] args) {
      User user = new User("张三",16);
      atomicReference.set(user);
      User newUser = new User("李四",18);
      atomicReference.compareAndSet(user, newUser);
      System.out.println(atomicReference.get());
   }

   @Data
   @AllArgsConstructor
   static class User {
      private String name;
      private int age;
   }

}

源码

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile V value;

原子更新属性（字段）

AtomicIntegerFieldUpdater

AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicStampedReference

AtomicIntegerFieldUpdater 简单介绍

原子更新带有版本号的引用类都是抽象类，每次使用的时候用静态方法newUpdater来创建，设置tclass和fieldName。

@CallerSensitive：通过使用一种机制来准确地识别此类方法，并允许可靠地发现其调用者，从而替换了现有的手动维护的调用者敏感方法列表，从而提高了JDK方法处理实现的安全性。

jvm的开发者认为这些方法危险，不希望开发者调用，就把这种危险的方法用 @CallerSensitive修饰，并在jvm级别检查。

http://openjdk.java.net/jeps/176

@CallerSensitive
public static <U> AtomicIntegerFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> tclass, String fieldName) {
    return new AtomicIntegerFieldUpdaterImpl<U>(tclass, fieldName, Reflection.getCallerClass());
}

更新的字段必须是public volitile修饰的，不然会抛出异常。

java.lang.RuntimeException: java.lang.IllegalAccessException: Class xxx.AtomicIntegerFieldUpdateTest can not access a member of class xxx.AtomicIntegerFieldUpdateTest$User with modifiers "private"
    
java.lang.ExceptionInInitializerError Caused by: java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type
//源码： 
if (!Modifier.isVolatile(modifiers))  throw new IllegalArgumentException("Must be volatile type");

使用示例

public class AtomicIntegerFieldUpdateTest {

    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<User> atomicIntegerFieldUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("张三",16);
        atomicIntegerFieldUpdater.set(user, 21);
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.get(user));
    }

    @Data
    @AllArgsConstructor
    static class User {
        private String name;
        public volatile int age;
    }

}

JDK 8 新增的原子操作类 LongAndder

为了解决高并发下多线程对一个变量CAS争夺失败后进行自旋而造成的降低开发性能问题，LongAdder在内部维护多个Cell元素（一个动态地Cell数组）来分担对单个变量进行争夺的开销。

LongAdder 的结构

LongAdder类继承自Striped，在Striped内部维护着三个变量。

base：基础值，默认为0。
cellsBusy：状态值，只有0和1，当创建Cell元素、扩容Cell数组或者初始化Cell数组时，使用CAS操作该变量来保证同时只有一个线程可以进行其中之一的操作。
cells： Table of cells. When non-null, size is a power of 2. 存储所有的Cell元素，初始值为null，大小是2的次幂。

当前线程访问 Cell 数组里面的那个元素

通过add方法中getProbe() & m来确定当前线程使用哪个元素。

getProbe获取当前线程中变量threadLocalRandomProbe的值，初始值为0，在longAccumulate中初始化。

longAccumulate是cells数组被初始化和扩容的地方。

public void add(long x) {
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        boolean uncontended = true;
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[getProbe() & m]) == null ||
            !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
            longAccumulate(x, null, uncontended);
    }
}

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                          boolean wasUncontended) {
   int h;
   if ((h = getProbe()) == 0) {
      ThreadLocalRandom.current(); // 初始化 threadLocalRandomProbe
      h = getProbe();
      wasUncontended = true;
   }
   // ......
}

如何初始化 Cell 数组

cellsBusy == 0说明当前cells数组没有被初始化、扩容或者新建。

初始大小为2。

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,  boolean wasUncontended) {
   int h = getProbe();
   for (; ; ) {
      Cell[] as; Cell a; int n; long v;
      if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
        // ......
      } else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
         boolean init = false;
         try {                           // Initialize table
            if (cells == as) {
               Cell[] rs = new Cell[2];
               rs[h & 1] = new Cell(x);
               cells = rs;
               init = true;
            }
         } finally {
            cellsBusy = 0;
         }
         if (init) {
             break;
         }
      } else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x : fn.applyAsLong(v, x)))) {
          break;  // Fall back on using base
      }
   }
}

Cell 数组如何扩容

如果当前元素个数没有达到CPU个数并且有冲突则扩容。

将容量扩充为之前的两倍，并复制到新的数组中。

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                          boolean wasUncontended) {
   boolean collide = false;                // True if last slot nonempty
   for (; ; ) {
      Cell[] as; Cell a; int n; long v;
      if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
        // 如果当前元素个数没有达到CPU个数并且有冲突则扩容
        if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
            try {
               if (cells == as) {      // Expand table unless stale
                  Cell[] rs = new Cell[n << 1];
                  for (int i = 0; i < n; ++i)
                     rs[i] = as[i];
                  cells = rs;
               }
            } finally {
               cellsBusy = 0;
            }
            collide = false;
            continue;                   // Retry with expanded table
         }
         h = advanceProbe(h);
      }              
   }
}

处理线程访问分配的 Cell 元素的冲突问题

在longAccumulate方法中使用advanceProbe(h)，重新计算当前线程的随机数threadLocalRandomProbe，以减少下次访问cells元素的冲突。

static final int advanceProbe(int probe) {
    probe ^= probe << 13;   // xorshift
    probe ^= probe >>> 17;
    probe ^= probe << 5;
    UNSAFE.putInt(Thread.currentThread(), PROBE, probe);
    return probe;
}

如何保证线程操作被分配的 Cell 元素的原子性

为了保证变量的可见性将value声明为volatile。

使用CAS保证了value的原子性。

@sun.misc.Contended为了避免伪共享。

@sun.misc.Contended static final class Cell {
    volatile long value;
    Cell(long x) { value = x; }
    final boolean cas(long cmp, long val) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, cmp, val);
    }

    // Unsafe mechanics
    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE;
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
            Class<?> ak = Cell.class;
            valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset
                (ak.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception e) {
            throw new Error(e);
        }
    }
}

并发_Atomic 原子类

并发_Atomic 原子类

Atomic 原子类

简介

原子更新基本类型

AtomicInteger 的方法

使用示例

主要源码

原子更新数组

AtomicIntegerArray 方法

使用示例

源码

原子更新引用

AtomicReference 方法

使用示例

源码

原子更新属性（字段）

AtomicIntegerFieldUpdater 简单介绍

使用示例

JDK 8 新增的原子操作类 LongAndder

LongAdder 的结构

当前线程访问 Cell 数组里面的那个元素

如何初始化 Cell 数组

Cell 数组如何扩容

处理线程访问分配的 Cell 元素的冲突问题

如何保证线程操作被分配的 Cell 元素的原子性