java并发编程-12个原子类

asp.Net 2020-12-30

背景

多线程更新变量的值，可能得不到预期的值，当然增加syncronized关键字可以解决线程并发的问题。
这里提供另外一种解决问题的方案，即位于 java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类，提供了一种用法简单，性能高效，线程安全的更新变量的方式。

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其它两个附带的类顺带看了一下：

LongAddr 多线程先的sum操作
LongAccomulator 多线程下的函数式操作，性能低于AtomicLong,主要是函数式的支持；

简单分类：

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基本类型原子类

使用原子的方式更新基本类型，包括：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

核心方法：

直接看源码了。

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类签名：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {}

方法	功能说明
构造方法	两个构造方法，不传或者传入值
get方法	get()获取值；对应的有set(int)方法，layzySet(int) 懒设置
getAndAdd(int)	获得老值然后增加一个数字，对应的有addAndGet(int)增加一个数字并返回新值
getAndSet(int)	获得老值然后更新为新值
getAndIncreament()	获得老值然后+1，对应的有increamentAndGet() +1然后返回新值
getAndDecrement()	获得老值然后-1 ，对应的有decrementAndGet() -1然后返回新值
getAndUpdate(IntUnaryOperator)	获取老值然后执行一个函数得到新值并设置，对应的有updateAndGet(IntUnaryOperator) 先执行内置函数式接口再返回新值
getAndAccumulate(int,IntBinaryOperator)	获取老值，然后把老值和第一个参数进行函数运算的返回值并设置，对应的有accumulateAndGet(int,IntBinaryOperator) 执行运算然后返回新值
compareAndSet(int,int)	对比如果跟预期值相等则设置为新值，对应的有weakCompareAndSet(int,int)这个是不保证顺序设置
toString	返回数字的字符串形式
number继承过来的方法	longValue(),byteValue()直接做了类型转换
object继承过来的方法	直接沿用Object的方法

底层是基于 unsafe来实现，基于CAS来原子性；

来研究一下unsafe的实现源码：

    /**
     * Atomically decrements by one the current value.
     *
     * @return the prevIoUs value
     */
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this,valueOffset,-1);
    }

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;
    }

大致的处理流程是：死循环，对比；也就是CAS；
利用了volatile的特性，多线程的变量可见性；

原子数组

通过原子的方式更新数组中的某个元素；

包含3个类：

AtomicIntegerArray
AtomicIntegerLongArray
AtomicReferenceArray

抓一个类来分析研究一下：

public class AtomicIntegerArray implements java.io.Serializable {}

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方法	说明
构造方法	public AtomicIntegerArray(int length)，public AtomicIntegerArray(int[] array)这里会做一个clone,不影响传入的数组的值
length	得到内部数组的长度
get,set,layziset	获取，设置，懒设置
compareAndSet,weakCompareAndSet	CAS操作， weak方法不保证操作的顺序性
getAndAdd,getAndUpdate,getAndAccumulate	有反向的方法，就是先计算，然后返回新值
toString	打印出数组【数字1，数字2】

原子类型的操作比较特殊一点：


    /**
     * Atomically adds the given value to the element at index {@code i}.
     *
     * @param i the index
     * @param delta the value to add
     * @return the prevIoUs value
     */
    public final int getAndAdd(int i,int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(array,checkedByteOffset(i),delta);
    }

 private long checkedByteOffset(int i) {
        if (i < 0 || i >= array.length)
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);

        return byteOffset(i);
    }

    private static long byteOffset(int i) {
        return ((long) i << shift) + base;
    }

这块获取数组中的值时候用到了一个移位操作；

更新引用

原子更新类AtomicInterger只能更新一个变量，如果要更新多个不同的变量就要用到原子更新引用类型提供的类；

AtomicReference 更新引用类型
AtomicReferenceFieldUpdater 更新引用类型的字段
AtomicMarkableRerence 更新带有标志位的引用类型

以AtomicReference为例子：

签名：public class AtomicReference implements java.io.Serializable{}

方法：

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方法	说明
构造方法	public AtomicReference(V initialValue) 带初始值；public AtomicReference()
get,lazySet	设置，获取，懒设置
compareAndSet,weakCompareAndSet	CAS操作，weak方法不保证顺序
getAndSet,getAndAccumulate	有反向的操作
toString	打印出里面的对象

底层分析：


    /**
     * Atomically sets to the given value and returns the old value.
     *
     * @param newValue the new value
     * @return the prevIoUs value
     */
    @SuppressWarnings("unchecked")
    public final V getAndSet(V newValue) {
        return (V)unsafe.getAndSetObject(this,newValue);
    }

利用了unsafe提供的特性保证了原子操作；

原子更新字段

需要原子的更新某个类的某个字段，需要用到原子更新字段类；

AtomicIntegerFiledUpdater 不用多说，原子更新类的Interger字段
AtomicLongFieldUpdater 不用多说，原子更新类的Long字段
AtomicStampedReference 原子更新带版本号的引用类型，可以原子的更新引用和引用的版本号，解决ABA问题；

使用要点：

每次必须使用静态方法 newUpdater创建一个更新器，设置类和属性；
更新的类的属性必须使用 public volatile修饰；

package com.cocurrenttest.atomictest;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Builder;
import lombok.Data;
import lombok.NoArgsConstructor;

/**
 * 说明：人实体
 * @author carter
 * 创建时间： 2019年12月06日 19:27
 **/
@Data
@NoArgsConstructor
@AllArgsConstructor
@Builder
public class Person {

    private String name;

    //注意，只能是int,Integer会报错哦
    public volatile int age;
}

package com.cocurrenttest.atomictest;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

/**
 * 说明：TODO
 * @author carter
 * 创建时间： 2019年12月06日 19:26
 **/

public class TestAtomicIntegerUpdater {

    public static void main(String[] args) {

        final AtomicIntegerFieldUpdater<Person> personAtomicIntegerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Person.class,"age");

        Person person = Person.builder().name("lifuchun").age(30).build();

        personAtomicIntegerFieldUpdater.addAndGet(person,1);

        final int age = personAtomicIntegerFieldUpdater.get(person);
        System.out.println(age);

        assert age==31 : "更新失败";


    }

}

小结

原子操作类都介绍了一下，适当的场景的话，简单的说一下我使用过的两个场景：

多任务去数据copy的时候的对账，计算出总的修改行数，或者迁移的订单总金额，方便两边对比；
流式操作的lambda表达式里面需要传入的局部变量为final,但是一般的类型在方法中不是final的，还需要在中间过程中修改，IDE提示可以使用原子类包装，然后带上final去修改；

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package com.cocurrenttest.atomictest;

import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.stream.Collectors;

/**
 * 说明：TODO
 * @author carter
 * 创建时间： 2019年12月06日 19:36
 **/

public class TestStream {

    public static void main(String[] args) {

        Integer age = 25 ;
      final String name="b";

      //some condition to change
      name ="bbb";

        final List<Person> personList = Arrays.asList(
                Person.builder().name("aaa").age(10).build(),Person.builder().name("bbb").age(20).build(),Person.builder().name("ccc").age(30).build()
        )
                .stream()
                .filter(item -> item.getAge() >= age)
                .filter(item->item.getName().contains(name))
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(personList);

    }


    public static void main2(String[] args) {

        Integer age = 25 ;
      final AtomicReference<String> name=new AtomicReference<>("b");

        //some condition to change
        name.set("bbb");;

        final List<Person> personList = Arrays.asList(
                Person.builder().name("aaa").age(10).build(),Person.builder().name("ccc").age(30).build()
        )
                .stream()
                .filter(item -> item.getAge() >= age)
                .filter(item->item.getName().contains(name.get()))
                .collect(Collectors.toList());

        System.out.println(personList);

    }

}