盤點JAVA中基于CAS實作的原子類, 你知道哪些？

前言

JDK中提供了一系列的基于CAS實作的原子類，CAS 的全稱是Compare-And-Swap，底層是lock cmpxchg指令，可以在單核和多核 CPU 下都能夠保證比較交換的原子性，所以說，這些原子類都是執行緒安全的，而且是無鎖并發，執行緒不會頻繁背景關系切換，所以在某些場景下性能是優于加鎖，

本文就盤點一下JDK中的原子類，方便我們后續拿來使用，

基礎原子類

• AtomicInteger：Integer整數型別的原子操作類
• AtomicBoolean：Boolean型別的原子操作類
• AtomicLong：Long型別的原子操作類

這邊以AtomicInteger講解下它的API和用法，

構造方法：

• public AtomicInteger()：初始化一個默認值為 0 的原子型 Integer
• public AtomicInteger(int initialValue)：初始化一個指定值的原子型 Integer

常用API：

• public final int get(): 獲取 AtomicInteger 的值
• public final int getAndIncrement(): 以原子方式將當前值加 1，回傳的是自增前的值
• public final int incrementAndGet()：以原子方式將當前值加 1，回傳的是自增后的值
• public final int getAndSet(int value)：以原子方式設定為 newValue 的值，回傳舊值
• public final int addAndGet(int data)：以原子方式將輸入的數值與實體中的值相加并回傳

使用：

• 結果1000，大致說明并發情況下保證了執行緒安全

原理分析：

整體實作思路： 自旋（回圈） + CAS演算法

• 當舊的預期值 A == 記憶體值 V 此時可以修改，將 V 改為 B
• 當舊的預期值 A != 記憶體值 V 此時不能修改，并重新獲取現在的最新值，重新獲取的動作就是自旋

public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
 }

• valueOffset：偏移量表示該變數值相對于當前物件地址的偏移，Unsafe 就是根據記憶體偏移地址獲取資料

• 從主記憶體中拷貝到作業記憶體中的值（每次都要從主記憶體拿到最新的值到本地記憶體），然后執行 compareAndSwapInt() 再和主記憶體的值進行比較，假設方法回傳 false，那么就一直執行 while 方法，直到期望的值和真實值一樣，修改資料，

• 原子類AtomicInteger的value屬性是volatile型別，保證了多執行緒之間的記憶體可見性，避免執行緒從作業快取中獲取失效的變數，

原子參考

原子參考主要是對物件的原子操作，原子參考類分為AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference，它們之間有什么區別呢？

1. AtomicReference類

普通的原子類物件

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

        // 創建原子參考包裝類
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>(user1);

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

@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
class User {
    private String name;
}

• 呼叫compareAndSet()方法進行比較替換物件

ABA問題

但是如果使用AtomicReference類，會有一個ABA問題，什么意思呢？就是一個執行緒將共享變數從A改成B, 后面又改回A, 這是，另外一個執行緒就無法感知這個變化程序，就傻傻的比較，就以為沒有變化，還是一開始的A，就替換了， 實際的確存在這樣只要共享變數發生過變化，就要CAS失敗，有什么辦法呢？

2. AtomicStampedReference類

帶版本號的原子類物件

@Slf4j(topic = "a.AtomicStampedReferenceTest")
public class AtomicStampedReferenceTest {
    // 構造AtomicStampedReference
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 獲取值 A
        String prev = ref.getReference();
        // 獲取版本號
        int stamp = ref.getStamp();
        log.debug("版本 {}", stamp);
        // 如果中間有其它執行緒干擾，發生了 ABA 現象
        other();
        Thread.sleep(1000);
        // 嘗試改為 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("更新版本為 {}", 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("更新版本為 {}", ref.getStamp());
        }, "t2").start();
    }
}

• 雖然物件的值變回了A，但是由于版本變了，所以主執行緒CAS失敗

3. AtomicMarkableReference 類

其實有時候并不關心共享變數修改了幾次，而是只要標記下是否發生過更改，是否加個標記即可，所以就有了AtomicMarkableReference類，

@Slf4j(topic = "c.AtomicMarkableReferenceTest")
public class AtomicMarkableReferenceTest {
    // 構造 AtomicMarkableReference, 初始標記為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);
        // 看看是否發生了變化
        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();
    }
}

• 通過呼叫isMarked()方法查看是否發生變化，

原子陣列

• AtomicIntegerArray: Integer型別的原子陣列
• AtomicLongArray：Long型別的原子陣列
• AtomicReferenceArray：參考型別的原子陣列

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; //范圍0~9
                array.incrementAndGet(index);
            }
        });

        Thread t2 = new Thread(()->{
            int index;
            for(int i=1; i<100000; i++) {
                index = i%10; //范圍0~9
                array.decrementAndGet(index);
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        Thread.sleep(5 * 1000);
        System.out.println(array.toString());
    }
}

• 兩個執行緒同時對陣列物件進行加和減的操作，最終結果都是0，說明執行緒安全，

原子欄位更新器

• AtomicReferenceFieldUpdater
• AtomicIntegerFieldUpdater
• AtomicLongFieldUpdater

利用欄位更新器，可以針對物件的某個域（Field）進行原子操作，只能配合 volatile 修飾的欄位使用，否則會出現例外，

@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();
        // 對volatile 的age欄位+1
        integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
        System.out.println(ref.getAge());

        // 修改 非volatile的age2
        integerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdaterTest.class, "age2");
        integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
    }
}

• 原子欄位更新器只能更新volatile欄位，它可以保證可見性，但是無法保證原子性，

原子累加器

原子累加器主要是用來做累加的，相關的類有LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator，

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

LongAddr 類是 LongAccumulator 類的一個特例，只是 LongAccumulator 提供了更強大的功能，可以自定義累加規則，當accumulatorFunction 為 null 時就等價于 LongAddr，

這邊做個性能的對比例子，

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個執行緒，每人累加 50 萬
        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);
    }
}

主要是由于LongAdder會設定多個累加單元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]... 最后將結果匯總，這樣它們在累加時操作的不同的 Cell 變數，因此減少了 CAS 重試失敗，從而提高性能，

總結

本文總結了JDK中提供的各種原子類，包括基礎原子類、原子參考類、原子陣列類、原子欄位更新器和原子累加器等，有時候，使用這些原子類的性能是比加鎖要高的，特別是在讀多寫少的場景下，但是，不知道大家發現沒有，所有的原子類操作對于一個共享變數執行操作是原子的，如果對于多個共享變數操作時，回圈 CAS 就無法保證操作的原子性，還是老老實實加鎖吧，

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標籤：Java

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