这篇文章主要介绍“Java的原子性Atomic如何使用”的相关知识,小编通过实际案例向大家展示操作过程,操作方法简单快捷,实用性强,希望这篇“Java的原子性Atomic如何使用”文章能帮助大家解决问题。
当多个线程访问某个类时,不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行,并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协调,这个类都能表现出正确的行为,那么就称这个类时线程安全的。
原子性:提供了互斥访问,同一时刻只能有一个线程对它进行操作
可见性:一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到
有序性:一个线程观察其他线程中的指令执行顺序,由于指令重排序的存在,该观察结果一般杂乱无序
Atomic包中提供了很多Atomicxxx的类:
它们都是CAS(compareAndSwap)来实现原子性。
先写一个简单示例如下:
@Slf4j public class AtomicExample1 { // 请求总数 public static int clientTotal = 5000; // 同时并发执行的线程数 public static int threadTotal = 200; public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal); final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal); for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) { executorService.execute(() -> { try { semaphore.acquire(); add(); semaphore.release(); } catch (Exception e) { log.error("exception", e); } countDownLatch.countDown(); }); } countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); log.info("count:{}", count.get()); } private static void add() { count.incrementAndGet(); } }
可以发下每次的运行结果总是我们想要的预期结果5000。说明该计数方法是线程安全的。
我们查看下count.incrementAndGet()方法,它的第一个参数为对象本身,第二个参数为valueOffset是用来记录value本身在内存的编译地址的,这个记录,也主要是为了在更新操作在内存中找到value的位置,方便比较,第三个参数为常量1
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates 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; ... 此处省略多个方法... /** * Atomically increments by one the current value. * * @return the updated value */ public final int incrementAndGet() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; } }
AtomicInteger源码里使用了一个Unsafe的类,它提供了一个getAndAddInt的方法,我们继续点看查看它的源码:
public final class Unsafe { private static final Unsafe theUnsafe; ....此处省略很多方法及成员变量.... public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5; } public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); public native int getIntVolatile(Object var1, long var2); }
可以看到这里使用了一个do while语句来做主体实现的。而在while语句里它的核心是调用了一个compareAndSwapInt()的方法。它是一个native方法,它是一个底层的方法,不是使用Java来实现的。
假设我们要执行0+1=0的操作,下面是单线程情况下各参数的值:
更新后:
compareAndSwapInt()方法的第一个参数(var1)是当前的对象,就是代码示例中的count。此时它的值为0(期望值)。第二个值(var2)是传递的valueOffset值,它的值为12。第三个参数(var4)就为常量1。方法中的变量参数(var5)是根据参数一和参数二valueOffset,调用底层getIntVolatile方法得到的值,此时它的值为0 。compareAndSwapInt()想要达到的目标是对于count这个对象,如果当前的期望值var1里的value跟底层的返回的值(var5)相同的话,那么把它更新成var5+var4这个值。不同的话重新循环取期望值(var5)直至当前值与期望值相同才做更新。compareAndSwap方法的核心也就是我们通常所说的CAS。
Atomic包下其他的类如AtomicLong等的实现原理基本与上述一样。
这里再介绍下LongAdder这个类,通过上述的分析,我们已经知道了AtomicLong使用CAS:在一个死循环内不断尝试修改目标值直到修改成功。如果在竞争不激烈的情况下,它修改成功概率很高。反之,如果在竞争激烈的情况下,修改失败的概率会很高,它就会进行多次的循环尝试,因此性能会受到一些影响。
对于普通类型的long和double变量,jvm允许将64位的读操作或写操作拆成两个32位的操作。LongAdder的核心思想是将热点数据分离,它可以将AtomicLong内部核心数据value分离成一个数组,每个线程访问时通过hash等算法映射到其中一个数字进行计数。而最终的计数结果则为这个数组的求和累加,其中热点数据value,它会被分离成多个单元的cell,每个cell独自维护内部的值,当前对象的实际值由所有的cell累计合成。这样,热点就进行了有效的分离,提高了并行度。LongAdder相当于在AtomicLong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点上,在低并发的时候对base的直接更新可以很好的保障跟Atomic的性能基本一致。而在高并发的时候,通过分散提高了性能。但是如果在统计的时候有并发更新,可能会导致统计的数据有误差。
在实际高并发计数的时候,可以优先使用LongAdder。在低并行度或者需要准确数值的时候可以优先使用AtomicLong,这样反而效率更高。
下面简单的演示下Atomic包下AtomicReference简单的用法:
@Slf4j public class AtomicExample4 { private static AtomicReference<Integer> count = new AtomicReference<>(0); public static void main(String[] args) { count.compareAndSet(0, 2); count.compareAndSet(0, 1); log.info("count:{}", count.get()); } }
compareAndSet()分别传入的是预期值跟更新值,只有当预期值跟当前值相等时,才会将值更新为更新值;
上面的第一个方法可以将值更新为2,而第二个步中无法将值更新为1。
下面简单介绍下AtomicIntegerFieldUpdater 用法(利用原子性去更新某个类的实例):
@Slf4j public class AtomicExample5 { private static AtomicIntegerFieldUpdater<AtomicExample5> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicExample5.class, "count"); @Getter private volatile int count = 100; public static void main(String[] args) { AtomicExample5 example5 = new AtomicExample5(); if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) { log.info("update success 1, {}", example5.getCount()); } if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) { log.info("update success 2, {}", example5.getCount()); } else { log.info("update failed, {}", example5.getCount()); } } }
它可以更新某个类中指定成员变量的值。
注意:修改的成员变量需要用volatile关键字来修饰,并且不能是static描述的字段。
AtomicStampReference这个类它的核心是要解决CAS的ABA问题(CAS操作的时候,其他线程将变量的值A改成了B,接着又改回了A,等线程使用期望值A与当前变量进行比较的时候,发现A变量没有变,于是CAS就将A值进行了交换操作。
实际上该值已经被其他线程改变过)。
ABA问题的解决思路就是每次变量变更的时候,就将版本号加一。
看一下它的一个核心方法compareAndSet():
public class AtomicStampedReference<V> { private static class Pair<T> { final T reference; final int stamp; private Pair(T reference, int stamp) { this.reference = reference; this.stamp = stamp; } static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) { return new Pair<T>(reference, stamp); } } ... 此处省略多个方法 .... public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) { Pair<V> current = pair; return expectedReference == current.reference && expectedStamp == current.stamp && ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) || casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp))); } }
可以看到它多了一个stamp的比较,stamp的值是由每次更新的时候进行维护的。
再介绍下AtomicLongArray,它维护了一个数组。在该数组下,我们可以选择性的已原子性操作更新某个索引对应的值。
public class AtomicLongArray implements java.io.Serializable { private static final long serialVersionUID = -2308431214976778248L; private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); ...此处省略.... /** * Atomically sets the element at position {@code i} to the given value * and returns the old value. * * @param i the index * @param newValue the new value * @return the previous value */ public final long getAndSet(int i, long newValue) { return unsafe.getAndSetLong(array, checkedByteOffset(i), newValue); } /** * Atomically sets the element at position {@code i} to the given * updated value if the current value {@code ==} the expected value. * * @param i the index * @param expect the expected value * @param update the new value * @return {@code true} if successful. False return indicates that * the actual value was not equal to the expected value. */ public final boolean compareAndSet(int i, long expect, long update) { return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update); } }
最后再写一个AtomcBoolean的简单使用:
@Slf4j public class AtomicExample6 { private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false); // 请求总数 public static int clientTotal = 5000; // 同时并发执行的线程数 public static int threadTotal = 200; public static void main(String[] args) throws Exception { ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool(); final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal); final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal); for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) { executorService.execute(() -> { try { semaphore.acquire(); test(); semaphore.release(); } catch (Exception e) { log.error("exception", e); } countDownLatch.countDown(); }); } countDownLatch.await(); executorService.shutdown(); log.info("isHappened:{}", isHappened.get()); } private static void test() { if (isHappened.compareAndSet(false, true)) { log.info("execute"); } } }
关于“Java的原子性Atomic如何使用”的内容就介绍到这里了,感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识,可以关注亿速云行业资讯频道,小编每天都会为大家更新不同的知识点。
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