[Java併發系列] 2.Java中的原子操作類

xiangdong發表於2017-11-12
Java

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1. 原子操作類的作用

當程式更新一個變數時，如果多個執行緒同時更新該變數，可能會得到期望以外的值。比如i=1， 執行緒A更新i+1， 同時執行緒B更新I+1,經過兩個執行緒的操作，最終變數i的值可能不是3，而是2。因為執行緒A、B拿到的i的值都是1，這就是執行緒不安全的更新操作。我們可以用synchronized來解決這樣的問題，synchronized可以保證多執行緒之間的同步，以保證多個執行緒不會同時操作變數i。
但是在JDK1.5開始，就提供了java.util.concurrent.atomic包，這個包中的原子操作類提供了更為簡單高效、執行緒安全的方式來更新一個變數的值。

2. 原子操作類基本分類
  • 原子更新基本型別(3個)
  1. AtomicBoolean 原子更新布林型別
  2. AtomicInteger 原子更新整型
  3. AtomicLong 原子更新長整型
  • 原子更新陣列(3個)
  1. AtomicIntegerArray 原子更新整形陣列中的元素
  2. AtomicLongArray 原子更新長整型陣列中的元素
  3. AtomicReferenceArray 原子更新引用型別陣列中的元素
  • 原子更新引用型別(3個)
  1. AtomicReference 原子更新引用型別
  2. AtomicReferenceFieldUpdater 原子更新引用型別中的欄位
  3. AtomicMarkableReference 原子更新帶有標記位的引用型別
  • 原子更新欄位類(3個)
  1. AtomicIntegerFieldUpdater 原子更新整形欄位
  2. AtomicLongFieldUpdater 原子更新長整型欄位
  3. AtomicStampedReference 原子更新帶有版本號的引用型別
3. CAS方式實現原子操作基本原理

JVM中CAS操作主要是利用了處理器提供的CMPXCHG執行實現。基本的思路就是利用迴圈進行CAS操作，直到成功為止。CAS主要涉及到三個運算元，記憶體中的值(V)、舊的預期值(A)、需要修改的新值(B)，當且僅當V==A時，才會將V值修改為B值，否則什麼都不做，並且通過一個布林值返回結果。虛擬碼如下：

//虛擬碼
boolean compareAndSwap(V,A,B){
    for(;;){
        if(V==A)
            V=B;//替換舊值
    }
}複製程式碼
4. CAS方式產生的問題(3個)
  1. ABA問題： CAS操作時，檢查值有沒有變化，如果沒有變化則更新，但是如果一個值原來是A，中間變成了B，然後又變為A，CAS進行檢查時，就會發現它的值沒有變化，但是實際上卻已經變化了。解決ABA問題，可以在變數前加一個版本號，變數更新時，版本號就加1.
  2. 迴圈時間長，開銷大：CAS採用的是自循的方式進行檢查，如果長時間不成功，那麼就會給CPU帶來非常大的開銷。
  3. 只能保證一個共享變數的原子操作：當對一個共享變數進行原子操作時，我們可以採用CAS的方式進行更新，但是如果對多個共享變數進行操作時，CAS就無法保證操作的原子性，那麼這個時候就需要用鎖來實現。
5. 原子操作類中主要的方法
  • boolean compareAndSet(int expect, int update) ；如果輸入的值等於預期值，那麼以原子的方式將該值設為輸入的值。
  • int addAndGet(int delta)；以原子的方式將輸入的數值與例項中的值相加，並返回更新之後的值
  • int getAndAdd(int delta); 以原子的方式將輸入的數值與例項中的值相加，並返回舊值
  • int getAndSet(int newValue)；以原子方式設定為newValue的值，並返回舊值

通過閱讀原始碼，可以發現CAS操作都是使用Unsafe類下的方法進行操作，而Unsafe類只提供了三種CAS方法：

  • compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
  • compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
  • compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    所以，對於其他型別的原子操作，都是進行型別轉換，將其型別轉換為這三種型別，然後進行原子操作。如Boolean型的，先轉成整整，然後在使用compareAndSwapInt進行操作；所以像char/float/double/short...等都可以按照這種思路實現。

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