聊聊高并发（二十）解析java.util.concurrent各个组件 12个原子变量相关类

Posted 2020-09-13

这篇说说java.util.concurrent.atomic包里的类，总共12个。网上有非常多文章解析这几个类。这里挑些重点说说。

这12个类能够分为三组：

1. 普通类型的原子变量

2. 数组类型的原子变量

3. 域更新器

普通类型的原子变量的6个，

1. 当中AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference分别相应boolean, int,  long, object完毕主要的原子操作

2. AtomicMarkableReference, AtomicStampedReference是AtomicReference的功能增强版本号，前者能够把引用跟一个boolean绑定，后者能够把引用和一个int型的版本号号绑定来完毕时间戳的功能。

AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference这几个类的结构都相似，有几个特点

1. 底层都是採用sun.misc.Unsafe类来完毕实际的CAS操作

2. 使用sun.misc.Unsafe直接操作内存对象来完毕类似反射机制的对象属性存取能力

3. volatile类型的value值保存状态

4. 原子的get(), set()方法

5. 主要的compareAndSet方法完毕CAS操作

6. weakCompareAndSet，弱化版本号的CAS操作，这是API设计是预留地差异化接口，可是眼下没有实现，眼下和compareAndSet是一样的功能

7. getAndSet方法是利用CAS操作无锁地完毕读取并设置的功能

8. lazySet方法优化设置，lazySet的使用看这篇 聊聊高并发（十八）理解AtomicXXX.lazySet方法

原子变量在并发编程中是主要的工具，能够用来实现非堵塞的数据结构和构建相关的基础构件。

有几种主要的使用方法：

1. 安全的计数器

2. compareAndSet方法能够实现“滤网”的功能。找到第一个成功操作的线程，从而做一些操作，能够看看自旋锁相关的实现

3. compareAndSet方法能够实现“推断操作是否成功”的功能。这里会有ABA的问题，能够採用AtomicStampedReference来避免ABA问题

4. getAndSet方法能够实现全然的“设置并返回之前值”的功能

5. AtomicBoolean作为一种二元状态能够用来作为“开关”，实现找到一个打开开关的线程。比方 if(b.compareAndSet(false, true)){// dosomething}

来看几个典型的操作

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 4654671469794556979L;
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    // 使用Unsafe直接操作内存的方式设置属性的值
    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicBoolean.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    // 使用volatile变量来保存状态
    private volatile int value;
    // 使用Unsafe的compareAndSwapXXX方法完毕底层的CAS操作
    public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
        int e = expect ?
 1 : 0;
        int u = update ? 1 : 0;
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
    }

    // 无锁地实现“设置并返回之前值”的功能，无锁的特点就是轮询加CAS操作
    public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
        for (;;) {
            boolean current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }
    // 优化volatie变量的写，再不须要保证可见性的场景下使用lazySet来优化，降低内存屏障
    public final void lazySet(boolean newValue) {
        int v = newValue ? 1 : 0;
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, v);
    }

AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference都是对AtomicReference的增强，内部使用了不可变对象来保存一个二元状态<Reference, XXX>，当原子设置时。就创建新的对象。并把volaitle引用指向最新的不可变对象。很多其它内容请查看聊聊高并发（十二）分析java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference源代码来看怎样解决CAS的ABA问题

AtomicMarkableReference能够用来标记对象。经常使用来构建数据结构中表示节点。能够用boolean表示节点是否被删除

public class AtomicMarkableReference<V> {

    private static class Pair<T> {
        final T reference;
        final boolean mark;
        private Pair(T reference, boolean mark) {
            this.reference = reference;
            this.mark = mark;
        }
        static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) {
            return new Pair<T>(reference, mark);
        }
    }

    private volatile Pair<V> pair;

    public AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialMark);
    }

    public boolean compareAndSet(V       expectedReference,
                                 V       newReference,
                                 boolean expectedMark,
                                 boolean newMark) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedMark == current.mark &&
            ((newReference == current.reference &&
              newMark == current.mark) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newMark)));
    } 

数组类型的原子变量有3个: AtomicIntegerArray, AtomicLongArray, AtomicReferenceArray, 它们是普通原子变量的数组版本号。能够完毕对数组中元素的原子操作。

主要的方法和普通原子类型类似，这里就不反复说了，提一下利用Unsafe读取数组元素的方法

1. 利用Unsafe.arrayBaseOffset得到数组的第一个元素的偏移量，由于有对象头的存在。所以offset不是从0開始

2. 利用Unsafe.arrayIndexScale得到数组中元素的长度

3. 利用移位操作取代乘法提高效率。所以先计算shift，比方8字节长度的元素。须要左移3位，相当与2的3次幂，4字节长度的元素左移2位，相当于2的2次幂

4. 计算数组中元素的实际位置 = index << shift + base。说白了，就是  index * 元素长度  + base

public class AtomicIntegerArray implements java.io.Serializable {

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // 获得数组第一个元素的偏移量offset，由于有对象头的存在，所以offset不是从0開始的 
    private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
    // 移位操作的基数，用移位操作取代乘法
    private static final int shift;
    private final int[] array;

    static {
        // 获取数组元素的长度，对于int[]数组。 scale = 4
        int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
        // 假设长度不是为2的幂，就报错
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)
            throw new Error("data type scale not a power of two");
        // 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale) 相当于求floor(log2(x)),这里为2。假设是Long,就是3
        // 事实上就是用移位操作取代乘法，比方4字节长度，就要左移2位，8字节长度，就要左移3位。左移1位 = 乘 2
        shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
    }

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

        return byteOffset(i);
    }
    // 用移位操作取代乘法，实际上求的是数组的第i个元素的偏移量，方便定位到数组元素的内存地址
    private static long byteOffset(int i) {
        return ((long) i << shift) + base;
    }

最后看看域更新器，有三个: AtomicIntegerFieldUpdate,  AtomicLongFieldUpdate,  AtomicReferenceFieldUpdate

域更新器是一种优化手段，它提供了现有volatile域的一种基于反射的视图。从而能对现有volatile域进行CAS操作。我们知道volatile字段仅仅保证可见性，可是不保证原子性，

假设要想对volatile字段进行CAS操作。就要用到域更新器。它的优点是能够让volatile字段具备原子变量的能力，而不须要实际创建这么多的原子变量，毕竟volatile比起原子变量来说还是轻量级的。

域更新器没有提供对外的构造函数，它须要利用工厂方法的方式来创建。提供一个newUpdater(xxx)方法来返回一个新建的域更新器对象。

1. tclass指的是字段所在类的Class类型

2. vclass指的是字段的Class类型，须要注意的是字段必须是volatile标示的，不然会抛出异常

3. filedName字段名

4. 调用者的类型，能够用Reflection.getCallerClass()获得

 public static <U, W> AtomicReferenceFieldUpdater<U,W> newUpdater(Class<U> tclass, Class<W> vclass, String fieldName) {
        return new AtomicReferenceFieldUpdaterImpl<U,W>(tclass,
                                                        vclass,
                                                        fieldName,
                                                        Reflection.getCallerClass());
    }

  AtomicReferenceFieldUpdaterImpl(Class<T> tclass,
                                        Class<V> vclass,
                                        String fieldName,
                                        Class<?> caller) {
            Field field = null;
            Class fieldClass = null;
            int modifiers = 0;
            try {
                field = tclass.getDeclaredField(fieldName);
                modifiers = field.getModifiers();
                sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(
                    caller, tclass, null, modifiers);
                sun.reflect.misc.ReflectUtil.checkPackageAccess(tclass);
                fieldClass = field.getType();
            } catch (Exception ex) {
                throw new RuntimeException(ex);
            }

            if (vclass != fieldClass)
                throw new ClassCastException();

            if (!Modifier.isVolatile(modifiers))
                throw new IllegalArgumentException("Must be volatile type");

            this.cclass = (Modifier.isProtected(modifiers) &&
                           caller != tclass) ? caller : null;
            this.tclass = tclass;
            if (vclass == Object.class)
                this.vclass = null;
            else
                this.vclass = vclass;
            offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
        }

AtomicIntegerFieldUpdate这些更新器的接口和原子变量一致。都提供了compareAndSet操作，getAndSet操作等。这里不反复说。举个样例看看怎样使用域更新器

1. Node类有一个volatile类型的next字段，它没有使用AtomicReference。使用了更轻量级的volatile

2. 假设想对volatile类型的next做CAS操作。就要创建域更新器AtomicReferenceFieldUpdater

private class Node<E>{
		private final E item;
		private volatile Node<E> next;
		
		public Node(E item){
			this.item = item;
		}
	}
	
	private static AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Node> nextUpdate = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Node.class, Node.class, "next");