和朱曄一起復習Java併發（四）：Atomic

lovecindywang發表於2019-07-21

本節我們來研究下併發包中的Atomic型別。

AtomicXXX和XXXAdder以及XXXAccumulator效能測試

先來一把效能測試，對比一下AtomicLong（1.5出來的）、LongAdder（1.8出來的）和LongAccumulator（1.8出來的）用於簡單累加的效能。

程式邏輯比較簡單，可以看到我們在最大併發10的情況下，去做10億次操作測試：

@Slf4j
public class AccumulatorBenchmark {

    private StopWatch stopWatch = new StopWatch();
    static final int threadCount = 100;
    static final int taskCount = 1000000000;
    static final AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
    static final LongAdder longAdder = new LongAdder();
    static final LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator(Long::sum, 0L);

    @Test
    public void test() {
        Map<String, IntConsumer> tasks = new HashMap<>();
        tasks.put("atomicLong", i -> atomicLong.incrementAndGet());
        tasks.put("longAdder", i -> longAdder.increment());
        tasks.put("longAccumulator", i -> longAccumulator.accumulate(1L));
        tasks.entrySet().forEach(item -> benchmark(threadCount, taskCount, item.getValue(), item.getKey()));

        log.info(stopWatch.prettyPrint());
        Assert.assertEquals(taskCount, atomicLong.get());
        Assert.assertEquals(taskCount, longAdder.longValue());
        Assert.assertEquals(taskCount, longAccumulator.longValue());

    }

    private void benchmark(int threadCount, int taskCount, IntConsumer task, String name) {
        stopWatch.start(name);
        ForkJoinPool forkJoinPool = new ForkJoinPool(threadCount);
        forkJoinPool.execute(() -> IntStream.rangeClosed(1, taskCount).parallel().forEach(task));
        forkJoinPool.shutdown();
        try {
            forkJoinPool.awaitTermination(1, TimeUnit.HOURS);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        stopWatch.stop();
    }
}

結果如下：
image_1dg6kqfra1unpqomj3v1v3l1ktu9.png-78.3kB

和官網說的差不多，在高併發的情況下LongAdder效能會比AtomicLong好很多。

AtomicReference可見性問題測試

在很多開原始碼中我們有看到AtomicReference的身影，它究竟是幹什麼的呢？我們來寫一段測試程式，在這個程式中我們定一了一個Switch型別，作為一個開關，然後寫三個死迴圈的執行緒來測試，當開關有效的時候會持續死迴圈，在2秒後關閉所有的三個開關：

第一個是普通的Switch
第二個是使用了volatile宣告的Switch
第三個是AtomicReference包裝的Switch

@Slf4j
public class AtomicReferenceTest {

    private Switch rawValue = new Switch();
    private volatile Switch volatileValue = new Switch();
    private AtomicReference<Switch> atomicValue = new AtomicReference<>(new Switch());

    @Test
    public void test() throws InterruptedException {

        new Thread(() -> {
            log.info("Start:rawValue");
            while (rawValue.get()) {
            }
            log.info("Done:rawValue");
        }).start();

        new Thread(() -> {
            log.info("Start:volatileValue");
            while (volatileValue.get()) {
            }
            log.info("Done:volatileValue");
        }).start();

        new Thread(() -> {
            log.info("Start:atomicValue");
            while (atomicValue.get().get()) {
            }
            log.info("Done:atomicValue");
        }).start();

        Executors.newSingleThreadScheduledExecutor().schedule(rawValue::off, 2, TimeUnit.SECONDS);
        Executors.newSingleThreadScheduledExecutor().schedule(volatileValue::off, 2, TimeUnit.SECONDS);
        Executors.newSingleThreadScheduledExecutor().schedule(atomicValue.get()::off, 2, TimeUnit.SECONDS);

        TimeUnit.HOURS.sleep(1);
    }

    class Switch {
        private boolean enable = true;

        public boolean get() {
            return enable;
        }

        public void off() {
            enable = false;
        }
    }
}

執行程式：
image_1dg6ll5s41iaim9u1ijk56j1n2tm.png-125.5kB
可以看到2秒後有一個開關卡住了，執行緒沒有退出。這是一個可見性的問題，AtomicReference以及volatile可以確保執行緒對資料的更新重新整理到記憶體。因為我們對於開關的關閉是在另一個定時任務執行緒做的，如果我們不使用volatile或AtomicReference來定義物件，那麼物件的操作可能無法被其它執行緒感知到。當然，AtomicReference除了解決可見性問題還有更多AtomicXXX提供的其它功能。

AtomicInteger測試

下面我們來看一下AtomicInteger的compareAndSet()功能。首先說明這個程式沒有任何意義，只是測試一下功能。在這個程式裡，我們亂序開啟10個執行緒，每一個執行緒的任務就是按照次序來累加數字。我們使用AtomicInteger的compareAndSet()來確保亂序的執行緒也能按照我們要的順序操作累加。

@Slf4j
public class AtomicIntegerTest {
    @Test
    public void test() throws InterruptedException {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
        List<Thread> threadList = IntStream.range(0,10).mapToObj(i-> {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                log.debug("Wait {}->{}", i, i+1);
                while (!atomicInteger.compareAndSet(i, i + 1)) {
                    try {
                        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(50);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                log.debug("Done {}->{}", i, i+1);
            });
            thread.setName(UUID.randomUUID().toString());
            return thread;
        }).sorted(Comparator.comparing(Thread::getName)).collect(Collectors.toList());

        for (Thread thread : threadList) {
            thread.start();
        }
        for (Thread thread : threadList) {
            thread.join();
        }
        log.info("result:{}", atomicInteger.get());
    }
}

執行結果如下：

11:46:30.611 [2c80b367-d80e-46b5-94f5-b7b172e79dad] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 4->5
11:46:30.611 [7bccbb54-4573-4b77-979b-840613406428] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 5->6
11:46:30.612 [c0792831-6201-4f6c-b702-79c1b798c3aa] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 9->10
11:46:30.612 [949b0c26-febb-4830-ad98-f43521ce4382] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 7->8
11:46:30.613 [ccc05b0f-11da-41fa-b8fc-59a90dfc2250] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 6->7
11:46:30.611 [037e9595-73cb-4aa1-afee-4250347746c8] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 3->4
11:46:30.611 [4f15d9ce-044e-4657-b418-4874d03e5d22] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 1->2
11:46:30.611 [3a96c35c-bc4e-45f4-aae4-9fd8611acaea] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 8->9
11:46:30.611 [94465214-27bf-4543-80e2-dbaeeb6ddc94] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 0->1
11:46:30.611 [60f9cb50-21e6-45bc-9b4d-867783ab033b] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Wait 2->3
11:46:30.627 [94465214-27bf-4543-80e2-dbaeeb6ddc94] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 0->1
11:46:30.681 [4f15d9ce-044e-4657-b418-4874d03e5d22] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 1->2
11:46:30.681 [60f9cb50-21e6-45bc-9b4d-867783ab033b] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 2->3
11:46:30.734 [037e9595-73cb-4aa1-afee-4250347746c8] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 3->4
11:46:30.780 [2c80b367-d80e-46b5-94f5-b7b172e79dad] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 4->5
11:46:30.785 [7bccbb54-4573-4b77-979b-840613406428] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 5->6
11:46:30.785 [ccc05b0f-11da-41fa-b8fc-59a90dfc2250] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 6->7
11:46:30.787 [949b0c26-febb-4830-ad98-f43521ce4382] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 7->8
11:46:30.838 [3a96c35c-bc4e-45f4-aae4-9fd8611acaea] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 8->9
11:46:30.890 [c0792831-6201-4f6c-b702-79c1b798c3aa] DEBUG me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - Done 9->10
11:46:30.890 [main] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicIntegerTest - result:10

可以看到，Wait的輸出是亂序的，最後Done的輸出是順序的。

AtomicStampedReference測試

AtomicStampedReference可以用來解決ABA問題，什麼是ABA問題我們看這個例子：
執行緒1讀取了數字之後，等待1秒，然後嘗試把1修改為3。
執行緒2後啟動，讀取到數字1後修改2，稍等一下又修改回1。
雖然AtomicInteger確保多個執行緒的原子性操作，但是無法確保1就是原先讀取到的那個1，沒有經過別人修改。
可以再換一個例子來說，如果我們現在賬上有100元，要修改為200元，在修改之前賬戶已經被操作過了從100元充值到了150然後提現到了100，雖然最後還是回到了100，但是這個時候嚴格一點的話，我們應該認為這個100不是原先的100，這個賬戶的版本發生了變化，如果我們使用樂觀行鎖的話，雖然餘額都是100但是行鎖的版本肯定不一致，AtomicStampedReference就是類似行樂觀鎖的概念。

 @Test
    public void test() throws InterruptedException {

        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            int value = atomicInteger.get();
            log.info("thread 1 read value: " + value);

            try {
                TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
                log.info("thread 1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.info("thread 1 update fail!");
            }
        });
        thread1.start();

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            int value = atomicInteger.get();
            log.info("thread 2 read value: " + value);
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
                log.info("thread 2 update from " + value + " to 2");

                try {
                    TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }

                value = atomicInteger.get();
                log.info("thread 2 read value: " + value);
                if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
                    log.info("thread 2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        });
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();
    }

看下執行結果：

11:56:20.373 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 read value: 1
11:56:20.381 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 update from 1 to 2
11:56:20.373 [Thread-0] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 1 read value: 1
11:56:20.483 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 read value: 2
11:56:20.484 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 update from 2 to 1
11:56:21.386 [Thread-0] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 1 update from 1 to 3

下面我們使用AtomicStampedReference來修復這個問題：

@Test
public void test2() throws InterruptedException {
    AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1);

    Thread thread1 = new Thread(() -> {
        int[] stampHolder = new int[1];
        int value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
        int stamp = stampHolder[0];
        log.info("thread 1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);

        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3, stamp, stamp + 1)) {
            log.info("thread 1 update from " + value + " to 3");
        } else {
            log.info("thread 1 update fail!");
        }
    });
    thread1.start();

    Thread thread2 = new Thread(() -> {
        int[] stampHolder = new int[1];
        int value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
        int stamp = stampHolder[0];
        log.info("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
        if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2, stamp, stamp + 1)) {
            log.info("thread 2 update from " + value + " to 2");

            try {
                TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
            stamp = stampHolder[0];
            log.info("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1, stamp, stamp + 1)) {
                log.info("thread 2 update from " + value + " to 1");
            }
            value = atomicStampedReference.get(stampHolder);
            stamp = stampHolder[0];
            log.info("thread 2 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);
        }
    });
    thread2.start();

    thread1.join();
    thread2.join();
}

執行結果如下：

11:59:11.946 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 read value: 1, stamp: 1
11:59:11.951 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 update from 1 to 2
11:59:11.946 [Thread-0] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 1 read value: 1, stamp: 1
11:59:12.053 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 read value: 2, stamp: 2
11:59:12.053 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 update from 2 to 1
11:59:12.053 [Thread-1] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 2 read value: 1, stamp: 3
11:59:12.954 [Thread-0] INFO me.josephzhu.javaconcurrenttest.atomic.AtomicStampedReferenceTest - thread 1 update fail!

可以看到，現在我們修改資料的時候不僅僅是拿著值來修改了，還要提供版本號，讀取資料的時候可以讀取到資料以及版本號。這樣的話，雖然數值不變，但是執行緒2經過兩次修改後資料的版本從1變為了3，回過頭來執行緒1再要拿著版本號1來修改資料的話必然失敗。

一個有趣的問題

本文比較短，我們再來看網友之前問的一個有意思的問題，程式如下。

@Slf4j
public class InterestingProblem {
    int a = 1;
    int b = 1;

    void add() {
        a++;
        b++;
    }

    void compare() {
        if (a < b)
            log.info("a:{},b:{},{}", a, b, a>b);
    }

    @Test
    public void test() throws InterruptedException {

        new Thread(() -> {
            while (true)
                add();
        }).start();
        new Thread(() -> {
            while (true)
                compare();
        }).start();

        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(100);
    }
}

這位網友是這麼問的，他說見鬼了，不但能看到日誌輸出，而且我發現之前判斷過一次a<b，之後輸出a>b居然是成立的，結果裡可以看到true，JVM出現Bug了可能：

image_1dg6ptemuabi6le5hbjugtv61g.png-222.3kB

他覺得a和b不是靜態的，為啥會出現併發問題呢於是問了同事：

同事A說是肯定多執行緒問題，加volatile可以解決，但是他發現為a和b加上volatile也不行
同事B說是AtomicInteger可以解決併發性問題，但是把a和b都用上了AtomicInteger也沒用
同事C貌似看出了問題說需要鎖，為add()方法增加synchronized關鍵字鎖一下，但是也沒用

這位網友其實是沒有搞清楚多執行緒情況下，可見性問題、原子性問題解決的事情，同事也把各種併發的概念混淆在一起了。
我們這麼來看這段程式碼，這段程式碼裡一個執行緒不斷操作a和b進行累加操作，一個執行緒判斷a和b，然後輸出結果。出現這個問題的原因本質上是因為a<b是三步操作，取a，取b以及比較，不是原子性的，在整個過程中可能穿插了add執行緒的操作a和b。如果先獲取a，然後a++ b++，然後獲取b，這個時候a<b，如果先a++，然後獲取a，獲取b，最後b++，這個時候a>b。我們來看一下compare()方法的位元組碼，可以很明顯看到ab的比較分明是4行指令，我們不能以程式碼行數來判斷操作是否是原子的，不是原子意味著操作過程中可能被穿插了其它執行緒的其它程式碼：

 0 aload_0
 1 getfield #2 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.a>
 4 aload_0
 5 getfield #3 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.b>
 8 if_icmpge 67 (+59)
11 getstatic #4 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.log>
14 ldc #5 <a:{},b:{},{}>
16 iconst_3
17 anewarray #6 <java/lang/Object>
20 dup
21 iconst_0
22 aload_0
23 getfield #2 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.a>
26 invokestatic #7 <java/lang/Integer.valueOf>
29 aastore
30 dup
31 iconst_1
32 aload_0
33 getfield #3 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.b>
36 invokestatic #7 <java/lang/Integer.valueOf>
39 aastore
40 dup
41 iconst_2
42 aload_0
43 getfield #2 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.a>
46 aload_0
47 getfield #3 <me/josephzhu/javaconcurrenttest/atomic/InterestingProblem.b>
50 if_icmple 57 (+7)
53 iconst_1
54 goto 58 (+4)
57 iconst_0
58 invokestatic #8 <java/lang/Boolean.valueOf>
61 aastore
62 invokeinterface #9 <org/slf4j/Logger.info> count 3
67 return

所以這位網友的理解有幾個問題：

多執行緒操作的物件安全不安全和物件是否靜態沒關係，即使不是static的也可能會併發被多個執行緒來操作
不能根據程式碼行數或程式碼是否簡單來判斷程式碼是否原子的，別說Java程式碼了，就是位元組碼也不行

我們再來看看他三位同事的說法：

同事A可能沒有徹底理解volatile的作用，現在是兩個執行緒操作a和b相互交錯干擾，加上了volatile只會讓問題更嚴重（你可以寫一段程式碼對比下加上和不加上volatile最後出現true的概率），這不是可見性問題
同事B可能也沒仔細考慮AtomicInteger的作用，AtomicInteger是用來實現多執行緒情況下原子性操作Integer，現在並沒有多個執行緒來併發修改a和b，使用AtomicInteger不能解決問題
同事C貌似是看到了問題的所在，但是他也沒理清楚，add()方法僅僅只有一個執行緒在執行為這個方法加上鎖是沒有用的，現在的問題在於add()和compare()的干擾，它們需要序列執行才能確保a和b整體的完整

所以要進行簡單修復這個問題的話就是為add()和compare()都加上synchronized關鍵字，除了這個鎖的方式有沒有其它方式呢？你可以想想。

小結

本文簡單測試了一下java.util.concurrent.atomic包下面的一些常用Atomic操作類，最後分享了一個網友的問題和疑惑，希望文字對你有用。

同樣，程式碼見我的Github，歡迎clone後自己把玩，歡迎點贊。

歡迎關注我的微信公眾號：隨緣主人的園子

image_1dfvp8d55spm14t7erkr3mdbscf.png-45kB

和朱曄一起復習Java併發（二）：佇列
2019-07-17
Java佇列
和朱曄一起復習Java併發（一）：執行緒池
2019-07-13
Java執行緒
和朱曄一起復習Java併發（三）：鎖（含鎖效能測試）
2019-07-20
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併發程式設計之：Atomic
2021-09-01
程式設計
（四）Java高併發秒殺API之高併發優化
2018-12-12
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java併發包學習系列：jdk併發容器
2016-07-13
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Go併發程式設計之原子操作sync/atomic
2022-05-10
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C++11併發程式設計：原子操作atomic
2018-12-14
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Java併發的四種風味：Thread、Executor、ForkJoin和Actor
2015-01-15
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跟我一起剖析 Java 併發原始碼之 Unsafe
2019-03-03
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併發程式設計從零開始（十一）-Atomic類
2021-10-31
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朱曄的網際網路架構實踐心得S2E6:淺談高併發架構設計的16招
2019-05-10
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Java併發之ReentrantLock原始碼解析（四）
2021-07-01
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Java併發(四)----執行緒執行原理
2023-05-05
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JVM 併發性: Java 和 Scala 併發性基礎
2014-05-19
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Java同步容器和併發容器
2019-04-04
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Java 8 併發：同步和鎖
2018-02-02
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JAVA 學習併發筆記（一）
2018-09-03
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（一）Java併發學習筆記
2018-08-02
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【JAVA併發第四篇】執行緒安全
2021-02-25
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啃碎併發（四）：Java執行緒Dump分析
2018-06-26
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Java併發程式設計實戰--筆記四
2017-10-13
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《java學習二》併發程式設計
2019-03-21
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Java 8 併發: Threads 和 Executors
2018-02-02
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Java併發之CountDownLatch、CyclicBarrier和Semaphore
2017-08-10
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Java併發---併發理論
2020-08-14
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《java併發程式設計的藝術》併發容器和框架
2018-07-23
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Java併發和多執行緒1：併發框架基本示例
2015-12-30
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Java 併發和多執行緒(一) Java併發性和多執行緒介紹[轉]
2016-01-15
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2015-04-14
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[Java併發]
2024-07-14
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併發程式設計之ThreadLocal、Volatile、synchronized、Atomic關鍵字
2020-07-09
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朱峰談概念設計（四）：遊戲和電影的不同
2019-03-05
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[Java併發程式設計（四）] Java volatile 的理論實踐
2017-03-29
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Java併發之AQS同步器學習
2018-08-22
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Java併發學習之任務取消（一）
2020-11-20
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Java 併發程式設計學習總結
2022-02-28
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併發程式設計（四）
2022-01-24
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