Java并发编程原子类

作者: 香沙小熊 | 来源:发表于2020-03-09 10:51 被阅读0次

1.什么是原子类

不可分割
一个操作是不可中断的，即便是多线程的情况下也可以保证
java.util.concurrent.atomic

原子类的作用

原子类的作用和锁类似，是为了保证并发情况下线程安全。不过原子类型相比于锁，有一定优势：
粒度更细：原子变量可以把竞争范围缩小到变量级别，这使我们可以获得的最细粒度的情况了，通常锁的粒度都要大于原子变量的粒度。
效率更高：通常，使用原子类的效率会比使用锁的效率要高，除了高度竞争的情况

2.Atomic*基本类型原子类，以AtomicInteger为例

AtomicInteger 整型原子类

AtomicInteger常用方法:
public final int get() //取当前的值
public final int getAndSet(int newValue) //获取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement() //取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement() //获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta) //获取当前的值，并加上预期的值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入值（update）

public class AtomicIntegerDemo implements Runnable {

    private static final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    public void incrementAtomic() {
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }

    private static volatile int basicCount = 0;

    public  void incrementBasic() {
        basicCount++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerDemo r = new AtomicIntegerDemo();
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("原子类的结果：" + atomicInteger.get());
        System.out.println("普通变量的结果：" + basicCount);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            incrementAtomic();
            incrementBasic();
        }
    }
}

原子类的结果：20000
普通变量的结果：18488

AtomicLong 长整型原子类
AtomicBoolean 布尔型原子类

4.Atomic*Array数组类型原子类

AtomicIntegerArray：提供对int[]数组元素的原子性更新操作。

public class AtomicArrayDemo {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(1000);
        Incrementer incrementer = new Incrementer(atomicIntegerArray);
        Decrementer decrementer = new Decrementer(atomicIntegerArray);
        Thread[] threadsIncrementer = new Thread[100];
        Thread[] threadsDecrementer = new Thread[100];
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            threadsDecrementer[i] = new Thread(decrementer);
            threadsIncrementer[i] = new Thread(incrementer);
            threadsDecrementer[i].start();
            threadsIncrementer[i].start();
        }

//        Thread.sleep(10000);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            try {
                threadsDecrementer[i].join();
                threadsIncrementer[i].join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        for (int i = 0; i < atomicIntegerArray.length(); i++) {
//            if (atomicIntegerArray.get(i)!=0) {
//                System.out.println("发现了错误"+i);
//            }
            System.out.println(atomicIntegerArray.get(i));
        }
        System.out.println("运行结束");
    }
}

class Decrementer implements Runnable {

    private AtomicIntegerArray array;

    public Decrementer(AtomicIntegerArray array) {
        this.array = array;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < array.length(); i++) {
             array.getAndDecrement(i);
        }
    }
}

class Incrementer implements Runnable {

    private AtomicIntegerArray array;

    public Incrementer(AtomicIntegerArray array) {
        this.array = array;
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < array.length(); i++) {
            array.getAndIncrement(i);
        }
    }
}

AtomicLongArray：提供对long[]数组元素的原子性更新操作。

AtomicReferenceArray：提供对引用类型[]数组元素的原子性更新操作。

5.Atomic*Reference引用类型原子类

AtomicReference和AtomicInteger非常类似，不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装，而AtomicReference则对应普通的对象引用。也就是它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

AtomicReference是作用是对”对象”进行原子操作。提供了一种读和写都是原子性的对象引用变量。原子意味着多个线程试图改变同一个AtomicReference(例如比较和交换操作)将不会使得AtomicReference处于不一致的状态。

public class AtomicReferenceDemo {
    public static void main(String[] args) {

        // 创建两个Person对象，它们的id分别是101和102。
        Person2 p1 = new Person2(101);
        Person2 p2 = new Person2(102);
        // 新建AtomicReference对象，初始化它的值为p1对象
        AtomicReference ar = new AtomicReference(p1);
        //更改p1的id.
        p1.setId(106);
        // 通过CAS设置ar。如果ar的值为p1的话，则将其设置为p2。
        ar.compareAndSet(p1, p2);

        Person2 p3 = (Person2)ar.get();
        System.out.println("p3 is "+p3);
        System.out.println("p3.equals(p1)="+p3.equals(p1));
    }

}
class Person2 {
    volatile long id;
    public Person2(long id) {
        this.id = id;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "id:"+id;
    }
    public void setId(long id){
        this.id=id;
    }
}

AtomicStampedReference
AtomicMarkableReference

6.把普通变量升级为原子类

AtomicReference，用于整个对象的更新。但不是每次都必须更新整个对象，有可能我们只需对对象中的某个字段进行原子性修改时，那么就需要使用原子更新字段类

AtomicIntegerFieldUpdater对普通变量进行升级

public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo implements Runnable{

    static Candidate tom;
    static Candidate peter;

    public static AtomicIntegerFieldUpdater<Candidate> scoreUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(Candidate.class, "score");

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            peter.score++;
            scoreUpdater.getAndIncrement(tom);
        }
    }

    public static class Candidate {

        volatile int score;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        tom=new Candidate();
        peter=new Candidate();
        AtomicIntegerFieldUpdaterDemo r = new AtomicIntegerFieldUpdaterDemo();
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("普通变量："+peter.score);
        System.out.println("升级后的结果"+ tom.score);
    }
}

普通变量：19831
升级后的结果20000

AtomicIntegerFieldUpdater 注意点

不同于以往的几个原子更新类，对于 AtomicIntegerFieldUpdater 的使用稍微有一些限制和约束，约束如下：

字段必须是 volatile 类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见。
字段的描述类型（修饰符public/protected/default/private）是与调用者与操作对象的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。
只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。
只能是可修改变量，不能是final变量，因为final的语句就是不可修改。实际上final的语义与volatile是有冲突的，两个关键字不能同时存在。
对于 AtomicIntegerFieldUpdate 和 AtomicLongFieldUpdate 只能修改 int/long 类型的字段，不能修改包装类型。如果要修改包装类型就需要使用 AtomicReferenceFieldUpdate。

AtomicLongFieldUpdater 原子更新长整型字段的更新器
AtomicReferenceFieldUpdater 原子更新带有版本号的引用类型

7.Adder累加器

是Java 8引入的，相对是比较新的一个类
高并发下LongAdder比AtomicLong效率高，不过本质是空间换时间
竞争激烈的时候，LongAdder把不同线程对应到不同的Cell上进行修改，降低了冲突的概率，是多段锁的理念，提高了并发性
AtomicLong

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicLong counter = new AtomicLong(0);
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            service.submit(new Task(counter));
        }
        service.shutdown();
        while (!service.isTerminated()) {

        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(counter.get());
        System.out.println("AtomicLong耗时：" + (end - start));
    }

    private static class Task implements Runnable {

        private AtomicLong counter;

        public Task(AtomicLong counter) {
            this.counter = counter;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.incrementAndGet();
            }
        }
    }
}

100000000
AtomicLong耗时：1575

public class LongAdderDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LongAdder counter = new LongAdder();
        ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            service.submit(new Task(counter));
        }
        service.shutdown();
        while (!service.isTerminated()) {

        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println(counter.sum());
        System.out.println("LongAdder耗时：" + (end - start));
    }

    private static class Task implements Runnable {

        private LongAdder counter;

        public Task(LongAdder counter) {
            this.counter = counter;
        }

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                counter.increment();
            }
        }
    }
}

100000000
LongAdder耗时：225

这里演示多线程情况下AtomicLong的性能，有16个线程对同一个AtomicLong累加
AtomicLong由于竞争很激烈，每一次加法，都要flush和refresh，导致很消耗资源

LongAdder带来的改进和原理

在内部，这个LongAdder的实现原理和刚才的AtomicLong是有不同的，AtomicLong的实现原理是，每一次加法都需要做同步，所以在高并发的时候会导致冲突比较多，也就是降低了效率
而此时的LongAdder，每个线程会有自己的一个计数器，仅用来在自己线程内计数，这样一来就不会和其他线程的计数器干扰
LongAdder引入了分段累加的概念，内部有一个base变量和一个Cell[]数组共同参与计算
base变量：竞争不激烈，直接累加到该变量上
Cell[]数组：竞争激烈，各个线程分散累加到自己的槽Cell[i]中
源码解析

    public long sum() {
        Cell[] as = cells; Cell a;
        long sum = base;
        if (as != null) {
            for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
                if ((a = as[i]) != null)
                    sum += a.value;
            }
        }
        return sum;
    }

LongAdder在AtomicLong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点，在低并发的时候通过对base的直接更新可以很好的保障和AtomicLong的性能基本保持一致，而在高并发的时候通过分散提高了性能。
缺点是LongAdder在统计的时候如果有并发更新，可能导致统计的数据有误差。

8.Accumulator累加器

Accumulator的Adder非常相似，Accumulator就是一个更通用版本的Adder

public class LongAccumulatorDemo {

    public static void main(String[] args) {
        LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator((x, y) -> x + y, 0);
        ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
        /**
         * 从1累加99
         */
        IntStream.range(1, 100).forEach(i ->
        executor.submit(() -> accumulator.accumulate(i)));
        executor.shutdown();
        while (!executor.isTerminated()) {

        }
        System.out.println(accumulator.getThenReset());
    }
}

使用场景
1.并行计算
2.程序不要求顺序计算

Java并发编程原子类

1.什么是原子类

原子类的作用

2.Atomic*基本类型原子类，以AtomicInteger为例

4.Atomic*Array数组类型原子类

5.Atomic*Reference引用类型原子类

6.把普通变量升级为原子类

AtomicIntegerFieldUpdater 注意点

LongAdder带来的改进和原理

8.Accumulator累加器

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2.Atomic*基本类型原子类，以AtomicInteger为例

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