Java 并发编程之原子类

louisgeek
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Java 并发编程之原子类

  • java.util.concurrent.atomic 原子类，可以在多线程环境中实现无锁的、但线程安全的、不可中断的原子操作，从而减少锁竞争的开销，大大提高了并发程序的性能，特别适合用于计数器、累加器等场景
  • 原子类就是利用了底层硬件的原子指令特性来实现 CAS 操作（Compare and Swap 比较并交换也称为 Compare And Set 比较并设置），天然地保证了操作的原子性，所以能够在不使用显式重量级锁机制（如 synchronized 关键字或 Lock 接口）的情况下也能够保证变量操作的原子性

原子类

AtomicBoolean 对布尔类型进行原子操作

AtomicInteger 对整型进行原子操作
AtomicLong 对长整型进行原子操作
AtomicReference 对任意引用类型对象进行原子操作

AtomicIntegerArray 对整型数组进行原子操作
AtomicLongArray 对长整型数组进行原子操作
AtomicReferenceArray 对任意引用类型对象数组进行原子操作

AtomicMarkableReference 提供带有布尔标记位的任意引用类型对象，可以原子地更新两者，可以用来解决 ABA 问题（即一个变量在两次检查之间从 A 变为 B 再变回 A 的问题）
AtomicStampedReference 提供带有整数版本戳（版本号）的任意引用类型对象，可以原子地更新两者，比 AtomicMarkableReference 更详细，能够记录对象被修改的次数或者版本变化等信息，同样可以用来解决 ABA 问题

原子操作

get 获取当前值
set 设置新值
lazySet 延迟设置新值，但不保证立即可见性（允许编译器和处理器对操作进行优化，减少内存屏障的使用，能够提供一定程度的性能优势，适用于不需要立即可见性的场景）
getAndSet 设置新值，并返回旧值
compareAndSet 基于 CAS 机制来比较并设置值，如果当前值等于预期的 expect 值，就更新为 update 值，该方法是实现原子操作的核心所在，很多其他方法内部也是基于这个方法来实现的
weakCompareAndSet 跟 compareAndSet 类似，是一种比较弱的比较并设置值操作，可能在某些情况下会返回 false 即使当前值等于预期值（系统优化结果）

getAndIncrement 以原子方式递增，并返回旧值
getAndDecrement 以原子方式递减，并返回旧值
getAndAdd 以原子方式添加一个增量到当前值，并返回旧值

incrementAndGet 以原子方式递增，并返回新值
decrementAndGet 以原子方式递减，并返回新值
addAndGet 以原子方式添加一个增量到当前值，并返回新值

FieldUpdater 字段更新器

  • 更新器类用于对字段进行原子性更新，这些类基于反射机制，必须是使用 volatile 修饰的字段，而且不能是 static 修饰的字段，通常适用于对现有的类（不想改变现有类的原来的结构或者去重新设计整个类）里某些字段进行原子操作的情况
  • AtomicIntegerFieldUpdater 对指定类中 volatile 修饰的 int 字段的原子操作
  • AtomicLongFieldUpdater 对指定类中 volatile 修饰的 long 字段的原子操作
  • AtomicReferenceFieldUpdater 对指定类中 volatile 修饰的任意引用类型对象的原子操作

Adder 和 Accumulator 累加器

  • LongAdder 和 DoubleAdder 是为了解决在高并发场景下使用传统原子操作（如 AtomicLong）可能导致的性能瓶颈（高并发场景下更新操作频繁竞争而导致性能下降的问题）而设计的，减少了线程竞争，具有更好的性能表现
  • LongAccumulator 和 DoubleAccumulator 同样支持高效的并发更新，并允许自定义累加规则，提供了更大的灵活性，能够执行更复杂的累加逻辑，比如求最大值、最小值和科学计算等场景

ABA 问题

  • 在并发编程中，ABA 问题是指一个线程在操作一个共享变量时，另一个线程如果先将变量的值从 A 改为 B，然后再改回 A，而第一个线程在检查变量时发现其值还是 A，就误以为没有发生变化而继续执行后续操作，这可能会导致错误的结果
  • AtomicMarkableReference 或 AtomicStampedReference 在进行 CAS 操作时不仅会比较引用对象的值是否相等，还会比较一个额外的布尔标记位或整数版本戳是否一致，只有两个值都预期相符时才会执行更新操作，从而有效避免了 ABA 问题
AtomicMarkableReference<String> atomicMarkableReference = new AtomicMarkableReference<>("A", false);
//CAS01: reference=A marked=false
System.out.println("CAS01: reference=" + atomicMarkableReference.getReference() + " marked=" + atomicMarkableReference.isMarked());
//线程 1 尝试设置 B 和 true
boolean success = atomicMarkableReference.compareAndSet("A", "B", false, true);
//test01 success=true
System.out.println("test01 success=" + success);
if (success) {
    //CAS02: reference=B marked=true
    System.out.println("CAS02: reference=" + atomicMarkableReference.getReference() + " marked=" + atomicMarkableReference.isMarked());
    //...
    //尝试将引用设置回 A 不过标记还是 true
    atomicMarkableReference.set("A", true);
    //CAS03: reference=A marked=true
    System.out.println("CAS03: reference=" + atomicMarkableReference.getReference() + " marked=" + atomicMarkableReference.isMarked());
}
//线程 2
//尝试将引用设置为 C 但期望标记为 false
success = atomicMarkableReference.compareAndSet("A", "C", false, true);
//test02 success=false
System.out.println("test02 success=" + success);
//CAS04: reference=A marked=true
System.out.println("CAS04: reference=" + atomicMarkableReference.getReference() + " marked=" + atomicMarkableReference.isMarked());

总结

  • 原子类实现了轻量级的线程同步安全操作，非常适合需要高效、无锁的并发编程场景，在高并发场景中，避免使用重量级的同步机制带来的开销，通常情况下原子类性能表现非常突出
  • 使用场景包括计数器、标志位、共享引用对象更新和数组元素操作等
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