盤點Java中基于CAS實現的原子類

作者：JAVA旭陽 2022-12-06 08:42:28

本文總結了JDK中提供的各種原子類，包括基礎原子類、原子引用類、原子數組類、原子字段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。

?前言

JDK中提供了一系列的基于CAS實現的原子類，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，這些原子類都是線程安全的，而且是無鎖并發，線程不會頻繁上下文切換，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整數類型的原子操作類
AtomicBoolean：Boolean類型的原子操作類
AtomicLong：Long類型的原子操作類

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，返回的是自增前的值
public final int incrementAndGet()：以原子方式將當前值加 1，返回的是自增后的值
public final int getAndSet(int value)：以原子方式設置為 newValue 的值，返回舊值
public final int addAndGet(int data)：以原子方式將輸入的數值與實例中的值相加并返回

使用：

結果1000，大致說明并發情況下保證了線程安全

原理分析：

整體實現思路：自旋（循環） + CAS算法

當舊的預期值 A == 內存值 V 此時可以修改，將 V 改為 B
當舊的預期值 A != 內存值 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：偏移量表示該變量值相對于當前對象地址的偏移，Unsafe 就是根據內存偏移地址獲取數據

從主內存中拷貝到工作內存中的值（每次都要從主內存拿到最新的值到本地內存），然后執行compareAndSwapInt()再和主內存的值進行比較，假設方法返回 false，那么就一直執行 while 方法，直到期望的值和真實值一樣，修改數據。

原子類AtomicInteger的value?屬性是volatile類型，保證了多線程之間的內存可見性，避免線程從工作緩存中獲取失效的變量。

原子引用

原子引用主要是對對象的原子操作，原子引用類分為AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference。它們之間有什么區別呢？

AtomicReference類

普通的原子類對象

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

        // 創建原子引用包裝類
        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;
}

調用compareAndSet()方法進行比較替換對象

ABA問題

但是如果使用AtomicReference類，會有一個ABA問題。什么意思呢？就是一個線程將共享變量從A改成B, 后面又改回A, 這是，另外一個線程就無法感知這個變化過程，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量發生過變化，就要CAS失敗，有什么辦法呢？

AtomicStampedReference類

帶版本號的原子類對象

@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);
        // 如果中間有其它線程干擾，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();
    }
}

雖然對象的值變回了A，但是由于版本變了，所以主線程CAS失敗

AtomicMarkableReference 類

其實有時候并不關心共享變量修改了幾次，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();
    }
}

通過調用isMarked()方法查看是否發生變化。

原子數組

AtomicIntegerArray: Integer類型的原子數組
AtomicLongArray：Long類型的原子數組
AtomicReferenceArray：引用類型的原子數組

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());
    }
}

兩個線程同時對數組對象進行加和減的操作，最終結果都是0，說明線程安全。

原子字段更新器

AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater

利用字段更新器，可以針對對象的某個域（Field?）進行原子操作，只能配合 volatile 修飾的字段使用，否則會出現異常。

@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字段+1
        integerFieldUpdater.getAndIncrement(ref);
        System.out.println(ref.getAge());

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

原子字段更新器只能更新volatile字段，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個線程，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會設置多個累加單元，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 變量，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、原子引用類、原子數組類、原子字段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量執行操作是原子的，如果對于多個共享變量操作時，循環 CAS 就無法保證操作的原子性，還是老老實實加鎖吧。

責任編輯：武曉燕來源： JAVA旭陽