多线程系列(十六) -常用并发原子类详解

一、简介

在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底层锁、并发同步等工具类以外，还提供了一组原子操作类，大多以Atomic开头，他们位于java.util.concurrent.atomic包下。

所谓原子类操作，顾名思义，就是这个操作要么全部执行成功，要么全部执行失败，是保证并发编程安全的重要一环。

相比通过synchronized和lock等方式实现的线程安全同步操作，原子类的实现机制则完全不同。它采用的是通过无锁（lock-free）的方式来实现线程安全（thread-safe）访问，底层原理主要基于CAS操作来实现。

某些业务场景下，通过原子类来操作，既可以实现线程安全的要求，又可以实现高效的并发性能，同时编程方面更加简单。

下面我们一起来看看它的具体玩法！

二、常用原子操作类

在java.util.concurrent.atomic包中，因为原子类众多，如果按照类型进行划分，可以分为五大类，每个类型下的原子类可以用如下图来概括（不同 JDK 版本，可能略有不同，本文主要基于 JDK 1.8 进行采样）。

虽然原子操作类很多，但是大体的用法基本类似，只是针对不同的数据类型进行了单独适配，这些原子类都可以保证多线程下数据的安全性，使用起来也比较简单。

2.1、基本类型

基本类型的原子类，也是最常用的原子操作类，JDK为开发者提供了三个基础类型的原子类，内容如下：

• AtomicBoolean：布尔类型的原子操作类
• AtomicInteger：整数类型的原子操作类
• AtomicLong：长整数类型的原子操作类

以AtomicInteger为例，常用的操作方法如下：

AtomicInteger的使用方式非常简单，使用示例如下：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
// 先获取值，再自增，默认初始值为0
int v1 = atomicInteger.getAndIncrement();
System.out.println("v1：" + v1);

// 获取自增后的ID值
int v2 = atomicInteger.incrementAndGet();
System.out.println("v2：" + v2);

// 获取自减后的ID值
int v3 = atomicInteger.decrementAndGet();
System.out.println("v3：" + v3);

// 使用CAS方式，将就旧值更新成 10
boolean v4 = atomicInteger.compareAndSet(v3,10);
System.out.println("v4：" + v4);

// 获取最新值
int v5 = atomicInteger.get();
System.out.println("v5：" + v5);

输出结果：

v1：0
v2：2
v3：1
v4：true
v5：10

下面我们以对某个变量累加 10000 次为例，采用 10 个线程，每个线程累加 1000 次来实现，对比不同的实现方式执行结果的区别（预期结果值为 10000）。

方式一：线程不安全操作实现

public class Demo1 {

    /**
     * 初始化一个变量
     */
    private static volatile int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threads = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        a++;
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }

        // 阻塞等待10个线程执行完毕
        countDownLatch.await();
        // 输出结果值
        System.out.println("结果值：" + a);
    }
}

输出结果：

结果值：9527

从日志上可以很清晰的看到，实际结果值与预期不符，即使变量a加了volatile关键字，也无法保证累加结果的正确性。

针对volatile关键字，在之前的文章中我们有所介绍，它只能保证变量的可见性和程序的有序性，无法保证程序操作的原子性，导致运行结果与预期不符。

方式二：线程同步安全操作实现

public class Demo2 {

    /**
     * 初始化一个变量
     */
    private static int a = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threads = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    synchronized (Demo2.class){
                        for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                            a++;
                        }
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }

        // 阻塞等待10个线程执行完毕
        countDownLatch.await();
        // 输出结果值
        System.out.println("结果值：" + a);
    }
}

输出结果：

结果值：10000

当多个线程操作同一个变量或者方法的时候，可以在方法上加synchronized关键字，可以同时实现变量的可见性、程序的有序性、操作的原子性，达到运行结果与预期一致的效果。

同时也可以采用Lock锁来实现多线程操作安全的效果，执行结果也会与预期一致。

方式三：原子类操作实现

public class Demo3 {

    /**
     * 初始化一个原子操作类
     */
    private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int threads = 10;
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
        for (int i = 0; i < threads; i++) {
            new Thread(new Runnable() {

                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        // 采用原子性操作累加
                        a.incrementAndGet();
                    }
                    countDownLatch.countDown();
                }
            }).start();
        }
        // 阻塞等待10个线程执行完毕
        countDownLatch.await();
        // 输出结果值
        System.out.println("结果值：" + a.get());
    }
}

输出结果：

结果值：10000

从日志结果上可见，原子操作类也可以实现在多线程环境下执行结果与预期一致的效果，关于底层实现原理，我们等会在后文中进行介绍。

与synchronized和Lock等实现方式相比，原子操作类因为采用无锁的方式实现，因此某些场景下可以带来更高的执行效率。

2.2、对象引用类型

上文提到的基本类型的原子类，只能更新一个变量，如果需要原子性更新多个变量，这个时候可以采用对象引用类型的原子操作类，将多个变量封装到一个对象中，JDK为开发者提供了三个对象引用类型的原子类，内容如下：

• AtomicReference：对象引用类型的原子操作类
• AtomicStampedReference：带有版本号的对象引用类型的原子操作类，可以解决 ABA 问题
• AtomicMarkableReference：带有标记的对象引用类型的原子操作类

以AtomicReference为例，构造一个对象引用，具体用法如下：

public class User {

    private String name;

    private Integer age;

    public User(String name, Integer age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "User{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
// 设置原始值
User user1 = new User("张三", 20);
atomicReference.set(user1);

// 采用CAS方式，将user1更新成user2
User user2 = new User("李四", 21);
atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
System.out.println("更新后的对象：" +  atomicReference.get().toString());

输出结果：

更新后的对象：User{name='李四', age=21}

2.3、对象属性类型

在某项场景下，可能你只想原子性更新对象中的某个属性值，此时可以采用对象属性类型的原子操作类，JDK为开发者提供了三个对象属性类型的原子类，内容如下：

• AtomicIntegerFieldUpdater：属性为整数类型的原子操作类
• AtomicLongFieldUpdater：属性为长整数类型的原子操作类
• AtomicReferenceFieldUpdater：属性为对象类型的原子操作类

需要注意的是，这些原子操作类需要满足以下条件才可以使用。

• 1.被操作的字段不能是 static 类型
• 2.被操纵的字段不能是 final 类型
• 3.被操作的字段必须是 volatile 修饰的
• 4.属性必须对于当前的 Updater 所在区域是可见的，简单的说就是尽量使用public修饰字段

以AtomicIntegerFieldUpdater为例，构造一个整数类型的属性引用，具体用法如下：

public class User {

    private String name;

    /**
     * age 字段加上 volatile 关键字，并且改成 public 修饰
     */
    public volatile int age;

    public User(String name, int age) {
        this.name = name;
        this.age = age;
    }
}

User user = new User("张三", 20);
AtomicIntegerFieldUpdater<User> fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
// 将 age 的年龄原子性操作加 1
fieldUpdater.getAndIncrement(user);
System.out.println("更新后的属性值：" + fieldUpdater.get(user));

输出结果：

更新后的属性值：21

2.4、数组类型

数组类型的原子操作类，并不是指对数组本身的原子操作，而是对数组中的元素进行原子性操作，这一点需要特别注意，如果要针对整个数组进行更新，可以采用对象引入类型的原子操作类进行处理。

JDK为开发者提供了三个数组类型的原子类，内容如下：

• AtomicIntegerArray：数组为整数类型的原子操作类
• AtomicLongArray：数组为长整数类型的原子操作类
• AtomicReferenceArray：数组为对象类型的原子操作类

以AtomicIntegerArray为例，具体用法如下：

int[] value = new int[]{0, 3, 5};
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(value);
// 将下标为[0]的元素，原子性操作加 1
array.getAndIncrement(0);
System.out.println("下标为[0]的元素，更新后的值：" + array.get(0));

输出结果：

下标为[0]的元素，更新后的值：1

2.5、累加器类型

累加器类型的原子操作类，是从 jdk 1.8 开始加入的，专门用来执行数值类型的数据累加操作，性能更好。

它的实现原理与基本数据类型的原子类略有不同，当多线程竞争时采用分段累加的思路来实现目标值，在多线程环境中，它比AtomicLong性能要高出不少，特别是写多的场景。

JDK为开发者提供了四个累加器类型的原子类，内容如下：

• LongAdder：长整数类型的原子累加操作类
• LongAccumulator：LongAdder的功能增强版，它支持自定义的函数操作
• DoubleAdder：浮点数类型的原子累加操作类
• DoubleAccumulator：同样的，也是DoubleAdder的功能增强版，支持自定义的函数操作

以LongAdder为例，具体用法如下：

LongAdder adder = new LongAdder();
// 自增加 1，默认初始值为0
adder.increment();
adder.increment();
adder.increment();
System.out.println("最新值：" +  adder.longValue());

输出结果：

最新值：3

三、原理解析

在上文中，我们提到了原子类的底层主要基于CAS来实现，CAS的全称是：Compare and Swap，翻译过来就是：比较并替换。

CAS是实现并发算法时常用的一种技术，它包含三个操作数：内存位置、预期原值及新值。在执行CAS操作的时候，会将内存位置的值与预期原值比较，如果一致，会将该位置的值更新为新值；否则，不做任何操作。

我们还是以上文介绍的AtomicInteger为例，部分源码内容如下：

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

    // 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法进行 CAS 操作
    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); }
    }

    // 变量使用 volatile 保证可见性
    private volatile int value;

    /**
     * get 方法
     */
    public final int get() {
        return value;
    }

    /**
     * 原子性自增操作
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
}

从源码上可以清晰的看出，变量value使用了volatile关键字，保证数据可见性和程序的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。

我们继续往下看Unsafe.getAndAddInt()这个方法，部分源码内容如下：

public final class Unsafe {

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        // 1.循环比较并替换，只有成功才返回
        do {
            // 2.调用底层方法得到 value 值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            // 3.通过var1和var2得到底层值，var5为当前值，如果底层值与当前值相同，则将值设为var5+var4
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        // 4.如果替换成功，返回当前值
        return var5;
    }

    /**
     * CAS 核心方法，由其他语言实现，不再分析
     */
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}

从以上的源码可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基于Unsafe.compareAndSwapInt方法来实现，同时进行了循环比较与替换的操作，只有替换成功才会返回，这个过程也被称为自旋操作，确保程序执行成功，进一步保证了操作的原子性。

其它的方法实现思路也类似。

如果我们自己通过CAS编写incrementAndGet()，大概长这样：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int prev, next;
    do {
        prev = var.get();
        next = prev + 1;
    } while ( !var.compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

当并发数量比较低的时候，采用CAS这种方式可以实现更快的执行效率；当并发数量比较高的时候，因为存在循环比较与替换的逻辑，如果长时间循环，可能会更加消耗 CPU 资源，此时采用synchronized或Lock来实现线程同步，可能会更有优势。

四、ABA问题

从上文的分析中，我们知道 CAS 在操作的时候会检查预期原值是否发生变化，当预期原值没有发生变化才会更新值。

在实际业务中，可能会出现这么一个现象：线程 t1 正尝试将共享变量的值 A 进行修改，但还没修改；此时另一个线程 t2 获取到 CPU 时间片，将共享变量的值 A 修改成 B，然后又修改为 A，此时线程 t1 检查发现共享变量的值没有发生变化，就会主动去更新值，导致出现了错误更新，但是实际上原始值在这个过程中发生了好几次变化。这个现象我们称它为 ABA 问题。

ABA 问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加 1，原来的A-B-A就会变成1A-2B-3A。

在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference类，它支持指定版本号来更新，可以通过它来解决 ABA 问题。

在AtomicStampedReference类的compareAndSet()方法中，会检查当前引用是否等于预期引用，并且当前版本号是否等于预期版本号，如果全部相等，则以原子方式将该引用的值设置为给定的更新值，同时更新版本号。

具体示例如下：

// 初始化一个带版本号的原子操作类，原始值：a，原始版本号：1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);

// 将a更为b，同时将版本号加1，第一个参数：预期原值；第二个参数：更新后的新值；第三个参数：预期原版本号；第四个参数：更新后的版本号
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新：" + result1);

// 将b更为a，因为预期原版本号不对，所以更新失败
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新：" + result2);

输出结果：

第一次更新：true
第二次更新：false

五、小结

本文主要围绕AtomicInteger的用法和原理进行一次知识总结，JUC包下的原子操作类非常的多，但是大体用法基本相似，只是针对不同的数据类型做了细分处理。

在实际业务开发中，原子操作类通常用于计数器，累加器等场景，比如编写一个多线程安全的全局唯一 ID 生成器。

public class IdGenerator {

    private static AtomicLong atomic = new AtomicLong(0);

    public long getNextId() {
        return atomic.incrementAndGet();
    }
}

希望本篇的知识总结，能帮助到大家！

六、参考

1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506

2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758

3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231

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