java原子操作类

devtools/2024/9/23 22:20:40/

在并发编程中，Java 提供了一组原子操作类来确保线程安全，这些类位于 java.util.concurrent.atomic 包中。这些类通过底层硬件支持的CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）机制，能够在无锁的情况下实现对变量的安全更新。这种无锁机制不仅能确保线程安全，还能避免传统锁带来的上下文切换开销，极大提高了并发性能。

1. 原子操作的背景

在多线程编程中，多个线程可能同时操作共享的变量。如果不使用同步机制（如 synchronized 或 Lock），多个线程的并发修改可能导致数据不一致的情况。为了解决这个问题，Java 提供了 Atomic 类，它们支持一种非阻塞的原子性操作。

  • 原子性：是指在一次操作过程中，中间不会被其他线程打断，保证操作的完整性。
  • CAS：原子操作类依赖 CAS 实现线程安全，CAS 是一种乐观锁机制，它比较当前变量的值与预期值，如果相等就更新，否则重试。这种机制通常会比阻塞锁更加高效。

2. 原子操作类的分类

Java 提供了多种原子操作类，主要分为以下几类：

  1. 原子更新基本类型：

    • AtomicInteger：对 int 类型的原子操作。
    • AtomicLong：对 long 类型的原子操作。
    • AtomicBoolean：对 boolean 类型的原子操作。

  2. 原子更新数组类型：

    • AtomicIntegerArray：对 int[] 数组的原子操作。
    • AtomicLongArray：对 long[] 数组的原子操作。
    • AtomicReferenceArray<E>：对对象数组的原子操作。

  3. 原子更新引用类型：

    • AtomicReference<V>：对普通对象引用的原子操作。
    • AtomicStampedReference<V>：带有版本戳的原子引用，可以解决 ABA 问题。
    • AtomicMarkableReference<V>：带有标记位的原子引用。

  4. 原子更新对象属性类型：

    • AtomicIntegerFieldUpdater<T>：对 int 类型的某个类的字段进行原子更新。
    • AtomicLongFieldUpdater<T>：对 long 类型的某个类的字段进行原子更新。
    • AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>：对对象引用类型的某个类的字段进行原子更新。

3. 常用原子操作类详解

3.1 AtomicInteger

AtomicInteger 是最常用的原子操作类之一，它用于对 int 类型的变量进行原子更新。常见的方法包括：

  • get()：获取当前值。
  • set(int newValue)：设置新值。
  • compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值等于 expect，则将其更新为 update。
  • getAndIncrement()：以原子方式将当前值加 1，并返回旧值。
  • incrementAndGet()：以原子方式将当前值加 1，并返回新值。

示例代码：

java">import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicIntegerExample {private static final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);public static void main(String[] args) {// 多线程并发递增for (int i = 0; i < 10; i++) {new Thread(() -> {int newValue = counter.incrementAndGet(); // 原子递增System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Counter: " + newValue);}).start();}}
}

在上面的代码中，多个线程可以并发递增 counter，且不需要使用锁来保证线程安全，因为 AtomicInteger 使用 CAS 实现了无锁的原子性递增。

3.2 AtomicReference

AtomicReference 用于对引用类型（对象）的原子更新。它与 AtomicInteger 类似，但操作的是对象而非基本类型。常用方法包括：

  • get()：获取当前对象的引用。
  • set(V newValue)：设置新引用。
  • compareAndSet(V expect, V update)：如果当前引用等于 expect，则将其更新为 update。

示例代码：

java">import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;public class AtomicReferenceExample {private static final AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("Initial Value");public static void main(String[] args) {// 多线程并发更新引用for (int i = 0; i < 3; i++) {new Thread(() -> {String oldValue = ref.get();String newValue = oldValue + " Updated by " + Thread.currentThread().getName();if (ref.compareAndSet(oldValue, newValue)) {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Updated: " + newValue);} else {System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Update failed");}}).start();}}
}

这个示例展示了如何使用 AtomicReference 来保证多个线程并发更新对象引用时的原子性。compareAndSet 方法确保只有预期的引用被更新，避免了并发修改问题。

3.3 AtomicStampedReference

AtomicStampedReference 是 AtomicReference 的扩展，它解决了ABA 问题。ABA 问题是指在并发环境中，一个变量可能被修改为旧值，然后再次被修改回来，但这个变化可能会被忽略，因为在 CAS 比较时，值没有发生变化。AtomicStampedReference 通过为每次操作打上“戳”，来检测是否出现 ABA 问题。

示例代码：

java">import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;public class AtomicStampedReferenceExample {private static final AtomicStampedReference<String> stampedRef = new AtomicStampedReference<>("Initial", 0);public static void main(String[] args) {int[] stampHolder = new int[1];String oldValue = stampedRef.get(stampHolder); // 获取当前值和戳int stamp = stampHolder[0]; // 当前戳System.out.println("Old Value: " + oldValue + ", Stamp: " + stamp);// 更新值和戳boolean result = stampedRef.compareAndSet(oldValue, "Updated", stamp, stamp + 1);if (result) {System.out.println("Update success. New Value: " + stampedRef.getReference() + ", New Stamp: " + stampedRef.getStamp());} else {System.out.println("Update failed.");}}
}

在这个示例中，AtomicStampedReference 通过戳来解决了 ABA 问题。每次修改时都会比较值和戳，确保引用的值和版本戳同时满足预期。

3.4 AtomicIntegerArray

AtomicIntegerArray 是对 int 数组的原子操作类。它支持对数组中每个元素进行原子操作，而不需要对整个数组加锁。常见的方法包括：

  • get(int i)：获取数组第 i 个元素的值。
  • set(int i, int newValue)：设置第 i 个元素的新值。
  • getAndIncrement(int i)：将数组第 i 个元素加 1，并返回旧值。

示例代码：

java">import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;public class AtomicIntegerArrayExample {private static final AtomicIntegerArray atomicArray = new AtomicIntegerArray(5);public static void main(String[] args) {// 启动多个线程操作数组for (int i = 0; i < 5; i++) {int index = i;new Thread(() -> {int oldValue = atomicArray.getAndIncrement(index);System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " - Index: " + index + ", Old Value: " + oldValue + ", New Value: " + atomicArray.get(index));}).start();}}
}

AtomicIntegerArray 允许多个线程安全地并发操作同一个数组的不同元素，而不会引发竞争条件。

4. CAS 操作原理

原子操作类的核心是 CAS 操作。CAS 全称为“Compare and Swap”，即比较并交换，它依赖于硬件支持来实现无锁并发控制。CAS 包含三个操作数：

  • 内存位置（V）：即变量的内存地址。
  • 期望值（A）：当前线程期望变量的值。
  • 新值（B）：当前线程希望将变量更新为的新值。

CAS 的工作原理是：如果内存位置 V 的值与期望值 A 相等，则将内存位置

V 的值更新为 B；否则，不做任何操作。CAS 操作通常通过 CPU 指令（如 cmpxchg）来实现，是一种高效的无锁机制。

5. 应用场景与性能

5.1 应用场景
  • 计数器：使用 AtomicInteger 作为全局计数器，确保多线程下的准确性。
  • 对象引用更新：AtomicReference 可用于安全更新共享资源的引用，避免竞争条件。
  • 数组更新：AtomicIntegerArray 用于高并发场景中对数组元素的安全更新。
  • ABA 问题解决：在并发环境中，使用 AtomicStampedReference 可以防止 ABA 问题。
5.2 性能

原子操作类由于采用 CAS 无锁机制，通常在高并发场景下性能优于传统的锁机制。特别是在多核处理器上，CAS 操作能避免上下文切换的开销，使得其在高频率的读写操作中表现更加优异。

6. 总结

Java 的原子操作类通过无锁的方式保证了线程安全，它们提供了对基本类型、数组、引用等的原子操作，在并发环境下既保证了数据的一致性，又避免了传统锁机制带来的性能损失。CAS 机制是原子操作类的核心，使得这些类在高并发场景中表现出色。合理使用这些类，能够在多线程编程中极大提升应用的并发性能。


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