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Java基礎-原子類、CAS

2021-04-29 09:56:18 其他

1、什么是原子類

  • 原子類的作用和鎖類似,是為了保證并發情況下的執行緒安全,不過原子類相比鎖,有一定優勢
  • 粒度更細:他鎖的范圍更小
  • 效率更高:相比于鎖,效率更高,除了高度競爭的情況

2、6類原子類

  • Atomic*基本型別原子類:AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
  • Atomic*Array陣列型別原子類:AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicBooleanArray
  • Atomic*Reference參考型別原子類:AtomicReference、AtomicStampedRefence、AtomicMarkableRenfence
  • Atomic*FieldUpdater升級型別原子類:AtomicIntegerfiedupdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicRefenceFieldUpdater
  • Adder累加器:LongAdder、DoubleAdder
  • Accumulator累加器:LongAccumulator、DoubleAccumulator

3、Atomic*基本型別原子類

基于CAS操作實作原子性

3.1、AtomicInteger常用方法

  • get()獲取當前的值
  • getAndSet(int newValue)獲取當前的值,并設定新的值
  • getAndIncrement()獲取當前的值,并自增
  • getAndDecrement()獲取當前的值,并自減
  • getAndAdd(int delta)獲取當前的值,并加上預期的值
  • compareAndSet(int expect, int update)如果當前的值等于預期的值,則以原子方式將值設定為輸入值
public class AtomicIntegerDemo1 implements Runnable {

    private static final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    public void incrementAtomic(){
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }

    private static volatile int basicCount = 0;

    public void incrementBasic(){
        basicCount++;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            incrementAtomic();
            incrementBasic();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerDemo1 r = new AtomicIntegerDemo1();
        Thread thread1 = new Thread(r);
        Thread thread2 = new Thread(r);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("原子類的結果" + atomicInteger.get());
        System.out.println("普通變數的結果" + basicCount);
    }
}

4、Atomic*Array陣列型別原子類

可以保證一個陣列中所有的原子操作

public class AtomicArrayDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(1000);
        Incrementer incrementer = new Incrementer(atomicIntegerArray);
        Decrementer decrementer = new Decrementer(atomicIntegerArray);

        Thread[] threadsIncrement = new Thread[100];
        Thread[] threadsDecrement = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadsDecrement[i] = new Thread(decrementer);
            threadsIncrement[i] = new Thread(incrementer);
            threadsDecrement[i].start();
            threadsIncrement[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadsDecrement[i].join();
            threadsIncrement[i].join();
        }
        for (int i = 0; i < atomicIntegerArray.length(); i++) {
            if (atomicIntegerArray.get(i) != 0){
                System.out.println("發現了非0值,位置"+i);
            }
        }
        System.out.println("運行結束");

    }


}
class Decrementer implements Runnable{
    private AtomicIntegerArray array;

    public Decrementer(AtomicIntegerArray array){
        this.array = array;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < array.length(); i++) {
            array.getAndDecrement(i);
        }
    }
}
class Incrementer implements Runnable{
    private AtomicIntegerArray array;

    public Incrementer(AtomicIntegerArray array){
        this.array = array;
    }

    public void run() {
        for (int i = 0; i < array.length(); i++) {
            array.getAndIncrement(i);
        }
    }
}

5、Atomic*Reference參考型別原子類

和AtomicInteger本質上沒有區別,這個是針對于物件

public class SpinLock {

    private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();

    public void loock(){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        while (!sign.compareAndSet(null, currentThread)){
            System.out.println("自旋獲取失敗,再次嘗試");
        }
    }

    public void unlock(){
        Thread currentThread = Thread.currentThread();
        sign.compareAndSet(currentThread, null);
    }

    public static void main(String[] args) {
        SpinLock spinLock = new SpinLock();
        Runnable runnable = new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "嘗試獲取自旋鎖");
                spinLock.loock();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "獲取到了自旋鎖");
                try {
                    Thread.sleep(300);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                } finally {
                    spinLock.unlock();
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "釋放了自旋鎖");
                }
            }
        };
        new Thread(runnable).start();
        new Thread(runnable).start();

    }
}

主要是使用了compareAndSet()方法

6、Atomic*FieldUpdater升級型別原子類

將普通變數升級為具有原子功能

public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo implements Runnable {

    static Candidate tom;
    static Candidate peter;

    public static AtomicIntegerFieldUpdater<Candidate> scoreUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Candidate.class, "score");

    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            peter.score++;
            // tom.score++;
            scoreUpdater.getAndIncrement(tom);
        }
    }

    public static class Candidate{
        volatile int score;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        tom = new Candidate();
        peter = new Candidate();
        AtomicIntegerFieldUpdaterDemo r = new AtomicIntegerFieldUpdaterDemo();
        Thread thread1 = new Thread(r);
        Thread thread2 = new Thread(r);
        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread2.join();
        System.out.println("普通的變數:"+peter.score);
        System.out.println("升級后的的變數:"+tom.score);

    }
}

使用的是反射的機制,且不支持被static修飾的變數

7、Adder累加器

  • 是Java8引入的,想對是比較新的一個類
  • 高并發下LongAdder比AtomicLong效率高,不過本質是空間換時間
  • 競爭激勵的時候,LongAdder把不同執行緒對應到不同的Cell上進行修改,降低了沖突的概率,是多段鎖的理念,提高了并發性

AtomicLong的耗時

public class AtomicLongDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicLong counter = new AtomicLong(0);

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            executorService.submit(new Task(counter));
        }
        executorService.shutdown();
        while (!executorService.isTerminated()){

        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗費時間="+(end-start));
    }

    private static class Task implements Runnable{
        private AtomicLong counter;
        public Task(AtomicLong counter){
            this.counter = counter;
        }

        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.incrementAndGet();
            }
        }
    }
}

使用LongAdder提升性能

public class LongAdderDemo {
    public static void main(String[] args) {
        LongAdder counter = new LongAdder();

        ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(20);

        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            executorService.submit(new LongAdderDemo.Task(counter));
        }
        executorService.shutdown();
        while (!executorService.isTerminated()){

        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("耗費時間="+(end-start));
    }

    private static class Task implements Runnable{
        private LongAdder counter;
        public Task(LongAdder counter){
            this.counter = counter;
        }

        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.increment();
            }
        }
    }
}

AtomicLong每次自增都是需要flush和refersh

LongAdder,每個執行緒都會有自己的一個計數器,僅用來在自己的執行緒內計數,這樣一來就不會和其他執行緒的計數器干擾

LongAdder只使用于統計求和的場景

8、Accumulator累加器

適用于大的資料量計算,并且對計算順序不要求

public class LongAccumulatorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        //LongAccumulator()后面的引數為x,后面傳遞的引數為y
        LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator((x, y) -> x + y, 0);
        accumulator.accumulate(1);
        accumulator.accumulate(2);
        System.out.println(accumulator.get());
    }
}

9、CAS

  • CAS作用于并發,保證一些列操作是原子性
  • 思想:我認為V的值應該是A,如果是的話那我就將它改成B,如果不是A(說明被別人修改過了),那我就不修改了,避免多人同時修改出錯
  • CAS有三個運算元:記憶體值V、預期值A、要修改的值B,當預期值A和記憶體值V相同時,才將記憶體值修改為B,否則什么都不做,最后回傳現在的值
  • CAS最終是利用CPU的指令來完成,CPU保證了原子性

CAS的等價代碼:

public class SimulatedCAS {
    
    private volatile int value;
    
    //整個方法模擬cpu的一條指令,原子性
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue){
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }
}

使用兩個執行緒來模擬多執行緒中CAS操作

public class TwoThreadCompetition implements Runnable{
    private volatile int value;

    //整個方法模擬cpu的一條指令,原子性
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue){
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue){
            value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }

    @Override
    public void run() {
        compareAndSwap(0, 1);
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        TwoThreadCompetition r = new TwoThreadCompetition();
        r.value = 0;
        Thread t1 = new Thread(r, "Thread1");
        Thread t2 = new Thread(r, "Thread2");
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println(r.value);
    }
}

典型的應用場景

  • 樂觀鎖
  • 并發容器
  • 原子類

AtomicInteger中使用的原始碼

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    //java無法訪問直接訪問
    /unsafe 給我們提供了硬體級別的原子
    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;

    ......

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        //do while自旋,不停的嘗試
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }
}

CAS的缺點:

  • ABA問題:他只是檢查值是否相等,相等不代表沒有被修改過,原來是5,可能A執行緒改為7,B執行緒改為5,對比后,發現還是5,但是值確實被修改過,解決方案:版本號
  • 自旋時間可能過長,因為他是一個自旋,對性能有很多的消耗

轉載請註明出處,本文鏈接:https://www.uj5u.com/qita/281204.html

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    1. 下載Halcon17版本到到本地 2. 雙擊安裝包后 3. 步驟如下 1.2 Halcon軟體安裝 界面分為四大塊 1. Halcon的五個助手 1) 影像采集助手:與相機連接,設定相機引數,采集影像 2) 標定助手:九點標定或是其它的標定,生成標定檔案及內參外參,可以將像素單位轉換為長度單位 ......

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  • 在MacOS下使用Unity3D開發游戲

    第一次發博客,先發一下我的游戲開發環境吧。 去年2月份買了一臺MacBookPro2021 M1pro(以下簡稱mbp),這一年來一直在用mbp開發游戲。我大致分享一下我的開發工具以及使用體驗。 1、Unity 官網鏈接: https://unity.cn/releases 我一般使用的Apple ......

    uj5u.com 2023-04-20 07:40:19 more