java原子性集合 java原子类型

Java中Atomic原子类型的详细讲解（二）-刘宇

• 一、AtomicReference介绍

• 1、简述
• 2、简单使用

• 二、CompareAndSwap算法带来的ABA问题

• 1、问题概述
• 2、ABA问题之队列

• 三、AtomicStampedReference介绍

• 1、原理
• 2、源码解释
• 3、练习

• 四、AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray介绍

• 1、创建
• 2、get()
• 3、set()
• 4、getAndSet()
• 5、compareAndSet()

• 五、AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater介绍

• 1、使用前提
• 2、使用场景
• 3、简单的使用
• 4、异常汇总

• 4.1、访问私有字段
• 4.2、访问null对象
• 4.3、访问不存在的属性
• 4.4、访问属性的类型不对应
• 4.5、访问的属性没有使用volatile修饰

作者：刘宇

一、AtomicReference介绍

1、简述

• AtomicReference类提供了一个可以原子读写的对象引用变量。

2、简单使用

package com.brycen.concurrency03.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {

	public static void main(String[] args) {
		AtomicReference<Simple> atomic = new AtomicReference<Simple>(new Simple("liuyu", 24));
		//获取当前值
		System.out.println(atomic.get());
		
		//对比并设置值，如果参数1不等于当前值则赋值失败，否则则成功。
		boolean result = atomic.compareAndSet(new Simple("liuyu11", 24), new Simple("Brycen", 24));
		System.out.println(result);
	}
	
	static class Simple {
		private String name;
		private int age;
		public Simple(String name, int age) {
			super();
			this.name = name;
			this.age = age;
		}
		public String getName() {
			return name;
		}
		public void setName(String name) {
			this.name = name;
		}
		public int getAge() {
			return age;
		}
		public void setAge(int age) {
			this.age = age;
		}
		@Override
		public String toString() {
			return "Simple [name=" + name + ", age=" + age + "]";
		}
	}
}

输出结果：

Simple [name=liuyu, age=24]
false

二、CompareAndSwap算法带来的ABA问题

不清楚什么是CAS算法的童鞋们可以看我上一篇博客

1、问题概述

ABA问题就是，当有两个线程对其修改时，线程1在修改之前的值是A，需要修改成B，但是由于此时线程2获得了CPU执行权，将元素值修改成了B，然后又修改成了A。那么当线程1再次获取到CPU执行权的时候进行CAS算法对比时，线程1并未发现此时元素已发生变化，因为他的值是和CAS算法对比之前的值是一样的，这就是ABA问题。ABA问题在int、long等类型并无影响，但是在类似于队列等就会引起严重问题。

2、ABA问题之队列

流程解释:

当线程T2执行完第二步之后将CPU执行权交于T1，而在T1执行第三步弹出A元素之前会进行CAS算法校验。然后发现此时队列中的head元素A存在，即CAS算法通过，即认为队列没有发生变化，那么此时T1线程拿到的队列还是T2操作之前的队列，并没有更新，则进行了第三步弹出A，那么此时队列的队首就会变为B，而B元素在T2线程的时候已经变为了游离状态，那么此时就会出现严重错误。

三、AtomicStampedReference介绍

AtomicStampedReference可以完美解决上述的ABA问题

1、原理

利用stamp印记来表示当前更新的版本，每次更新一次stamp就会+1，在CAS算法对比的时候不光要对比其值是否一致，还需要对比印记编号是否一致，这样就有效解决了ABA问题。

2、源码解释

片段1：

• 就是将要存入的值或引用和stamp更新标签用一个Pair类来封装。

private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
        this.reference = reference;//我们要存入的真正的值或引用
        this.stamp = stamp;//更新标记
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
        return new Pair<T>(reference, stamp);
    }
}

片段2：

• expectedReference == current.reference判断当前值或引用和你所传进来的希望值或引用是否一致
• expectedStamp == current.stamp判断当前更新标记和你所传进来的希望更新标记是否一致
• (newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) 判断新值或引用是否和旧的一致，并且判断其更新标记是否一致，如果都一致则不会执行casPair来更新，如果上面为false则执行casPair来更新。因为他们是用||来连接的
• casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)更新

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                                 V   newReference,
                                 int expectedStamp,
                                 int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;//获取当前的pair对象
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

3、练习

package com.brycen.concurrency03.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class AtomicStampedReferenceTest {
	private static AtomicStampedReference<Integer> atomicRef = new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);
	
	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					Thread.sleep(1000);
					//将值100修改为101
					boolean success = atomicRef.compareAndSet(100, 101, atomicRef.getStamp(), atomicRef.getStamp()+1);
					System.out.println(success);
					//再将101修改为100
					success = atomicRef.compareAndSet(101, 100, atomicRef.getStamp(), atomicRef.getStamp()+1);
					System.out.println(success);
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		});
		Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
			@Override
			public void run() {
				try {
					int stamp = atomicRef.getStamp();
					Thread.sleep(2000);
					//这边使用了AtomicStampedReference，所以它发现了更新版本号不对，返回false禁止更新，如果使用不带stamped的atomic则会出现更新成功的现象，即ABA问题。
					boolean success = atomicRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp+1);
					System.out.println(success);
				} catch (InterruptedException e) {
					// TODO Auto-generated catch block
					e.printStackTrace();
				}
			}
		});
		t1.start();
		t2.start();
		t1.join();
		t2.join();
	}
}

输出结果

true
true
false

四、AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray介绍

• 是能够实现对数组支持原子性操作的
• 这里的AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray和前面介绍的非数组的使用差别不大，这边就简单演示一下AtomicIntegerArray的基本用法。基本类型的非数组的使用方法可以查看我的上一篇博客。
• 其实就是比非数组的多了一个传递角标的参数。

1、创建

//第一种创建方式
//指定其数组长度为10
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
System.out.println(array.length());//输出10
//第二种创建方式
//创建一个数组传递进去
int[] intArray = new int[20];
AtomicIntegerArray array1 = new AtomicIntegerArray(intArray);
System.out.println(array1.length());//输出20

2、get()

AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
//获取第5个元素的值
System.out.println(array.get(5));//输出0

3、set()

AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
//将数组中角标为5的元素设置为100
array.set(5,100);
System.out.println(array.get(5));//输出100

4、getAndSet()

AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
int result = array.getAndSet(5, 200);
System.out.println(result);//输出0
System.out.println(array.get(5));//输出200

5、compareAndSet()

AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(10);
boolean result = array.compareAndSet(5, 0, 100);
System.out.println(result);//输出true
System.out.println(array.get(5));//输出100

其他方法用法和非数组的原子基本类型操作差不多，可参考我上一篇博客，这里就简单介绍了AtomicIntegerArray的一些方法

五、AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater介绍

• 当多线程访问我们类属性的时候，我们可以使用加锁的形式来保证其安全性。那么如果使用无锁的形式的话就可以使用我们的原子类型的FieldUpdater类。
• 原子类型的FieldUpdater类大致分为了AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater，他们之间的用法都大差不差，看过之前的博客的肯定都没问题，这边我们就简单演示一下AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicReferenceFieldUpdater。

1、使用前提

• 属性必须使用volatile关键字修饰
• 属性必须是非private、protected（如果是当前类是可以的）
• 属性类型必须和原子类中的类型一致
• 
  

2、使用场景

• 不想使用锁的时候（包括显示锁或者重量级锁synchronized）
• 大量需要原子类型修饰的对象，如果整体对象使用AtomicStampReference修饰或者属性使用AtomicInteger修饰，都相比较需要消耗大量内存。

3、简单的使用

• 保证了类中属性的原子性

package com.test.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater<TestMe> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(TestMe.class,"i");
        TestMe me = new TestMe();
        for (int i=0;i<2;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int i=0;i<5;i++){
                        int v = updater.getAndIncrement(me);
                        System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"->"+v);
                    }
                }
            }).start();
        }
    }

    static class TestMe{
        volatile  int i;
    }
}

输出结果：

Thread-0->0
Thread-0->1
Thread-0->2
Thread-0->3
Thread-0->4
Thread-1->5
Thread-1->6
Thread-1->7
Thread-1->8
Thread-1->9

4、异常汇总

4.1、访问私有字段

• 如果访问私有变量则会抛出异常

package com.test.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater<TestMe> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(TestMe.class,"i");
        TestMe me = new TestMe();
        updater.compareAndSet(me,0,1);
    }
    static class TestMe{
        private volatile  int i;
    }
}

输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: java.lang.IllegalAccessException: Class com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest can not access a member of class com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest$TestMe with modifiers "private volatile"
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:405)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicIntegerFieldUpdater.java:88)
	at com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.main(AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.java:7)
Caused by: java.lang.IllegalAccessException: Class com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest can not access a member of class com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest$TestMe with modifiers "private volatile"
	at sun.reflect.Reflection.ensureMemberAccess(Reflection.java:102)
	at sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(ReflectUtil.java:103)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:394)
	... 2 more

4.2、访问null对象

package com.test.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater<TestMe> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(TestMe.class,"i");
        updater.compareAndSet(null,0,1);
    }
    static class TestMe{
        public volatile  int i;
    }
}

输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.throwAccessCheckException(AtomicIntegerFieldUpdater.java:475)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.accessCheck(AtomicIntegerFieldUpdater.java:466)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.compareAndSet(AtomicIntegerFieldUpdater.java:488)
	at com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.main(AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.java:8)

4.3、访问不存在的属性

• 在TestMe类中我们的属性是i，而我们更新的属性是i1，则会出现异常。

package com.test.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater<TestMe> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(TestMe.class,"i1");
        updater.compareAndSet(null,0,1);
    }
    static class TestMe{
        public volatile  int i;
    }
}

输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.RuntimeException: java.lang.NoSuchFieldException: i1
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:403)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicIntegerFieldUpdater.java:88)
	at com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.main(AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.java:7)
Caused by: java.lang.NoSuchFieldException: i1

4.4、访问属性的类型不对应

• 可以看到TestMe中的属性类型是Integer类型，如果我们给的是Long类型则会报错

package com.test.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicReferenceFieldUpdater<TestMe,Long> updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(TestMe.class,Long.class,"i");
        TestMe me = new TestMe();
        boolean result = updater.compareAndSet(me, null, 1l);
        System.out.println(result);
    }

    static class TestMe{
        public volatile  Integer i;
    }
}

输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.ClassCastException
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater$AtomicReferenceFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicReferenceFieldUpdater.java:343)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdater.java:110)
	at com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.main(AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.java:8)

4.5、访问的属性没有使用volatile修饰

• 可以看到我们TestMe中的属性i没有加volatile关键字，那么就会出错。

package com.test.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicReferenceFieldUpdater<TestMe,Integer> updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(TestMe.class,Integer.class,"i");
        TestMe me = new TestMe();
        boolean result = updater.compareAndSet(me, null, 1);
        System.out.println(result);
    }
    static class TestMe{
        public Integer i;
    }
}

输出结果：

Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater$AtomicReferenceFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicReferenceFieldUpdater.java:348)
	at java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(AtomicReferenceFieldUpdater.java:110)
	at com.test.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.main(AtomicIntegerFieldUpdaterFailedTest.java:8)