大家好锯茄，我是小黑厢塘，一個(gè)在互聯(lián)網(wǎng)茍且偷生的農(nóng)民工。
在開(kāi)始講今天的內(nèi)容之前肌幽，先問(wèn)一個(gè)問(wèn)題晚碾，使用int類(lèi)型做加減操作是不是線(xiàn)程安全的呢？比如 i++ ,++i喂急，i=i+1這樣的操作在并發(fā)情況下是否會(huì)有問(wèn)題格嘁？
我們通過(guò)運(yùn)行代碼來(lái)看一下。
public class AtomicDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Data data = new Data();
Thread a = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"_"+data.increment());
}
}, "A");
Thread b = new Thread(() -> {
for (int i = 0; i < 100000; i++) {
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"_"+data.increment());
}
}, "B");
a.start();
b.start();
// 等待A廊移，B線(xiàn)程執(zhí)行完畢
a.join();
b.join();
System.out.println(data.getI());
}
}
class Data {
private volatile int i = 0;
public int increment() {
i++;
return i;
}
public int getI() {
return i;
}
}
以上代碼比較簡(jiǎn)單糕簿，通過(guò)A,B兩個(gè)線(xiàn)程同時(shí)對(duì)Data對(duì)象中的i執(zhí)行++操作涣易，各自執(zhí)行100000次，最后輸出冶伞，如果說(shuō)i++操作時(shí)線(xiàn)程安全的新症，那么最后輸出的結(jié)果應(yīng)該是200000，但是我們運(yùn)行代碼會(huì)看到如下結(jié)果：
我們發(fā)現(xiàn)最后輸出的并不是200000响禽，而是199982徒爹，如果多執(zhí)行幾次的話(huà)，這個(gè)結(jié)果會(huì)發(fā)生變化芋类，并且大多數(shù)情況下不會(huì)是200000隆嗅。這主要是因?yàn)閕nt類(lèi)型的++操作不是原子的，i++同等于i=i+1,也就是加1這一步和對(duì)i重新賦值這一步不是同時(shí)完成的侯繁，不具備原子性胖喳，所以我們得出結(jié)論int類(lèi)型的操作不是線(xiàn)程安全的。
在很多實(shí)際場(chǎng)景中都需要對(duì)一個(gè)數(shù)據(jù)進(jìn)行并發(fā)操作贮竟，比如電商的秒殺活動(dòng)中丽焊，對(duì)一個(gè)商品數(shù)量的扣減，那么我們想保證安全性應(yīng)該怎么做呢咕别？
首先我們可以想到的就是使用synchronized關(guān)鍵字對(duì)increment()這個(gè)方法加鎖技健，這樣就能保證每次只有一個(gè)線(xiàn)程能訪(fǎng)問(wèn)。
但是之前的文章中我們有講到synchronized是一個(gè)重量級(jí)的悲觀(guān)鎖惰拱，我們的業(yè)務(wù)場(chǎng)景的并發(fā)可能是一段時(shí)間內(nèi)的雌贱，多數(shù)情況下可能并不會(huì)有很多競(jìng)爭(zhēng)，所以有沒(méi)有更好的處理方式呢偿短，答案就是通過(guò)AtomicInteger欣孤。
AtomicInteger
AtomicInteger是java.util.concurrent.atomic包中的一個(gè)類(lèi)。我們看官方文檔對(duì)于這個(gè)包的描述昔逗，說(shuō)它是支持單個(gè)變量上的無(wú)鎖線(xiàn)程安全編程的工具包降传，好像和我們期望的一樣，在不加鎖的情況下達(dá)到線(xiàn)程安全纤子。
我們來(lái)修改一下上面例子的代碼搬瑰。
class Data {
private volatile AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
public int increment() {
return i.incrementAndGet();
}
public int getI() {
return i.get();
}
}
很簡(jiǎn)單，將原來(lái)的int修改為AtomicInteger控硼，在執(zhí)行increment()方法進(jìn)行增加操作時(shí)，調(diào)用incrementAndGet()方法就可以了艾少。同樣我們運(yùn)行代碼卡乾，會(huì)發(fā)現(xiàn)，不管運(yùn)行多少次缚够，代碼最后執(zhí)行的結(jié)果都是一樣的幔妨，200000鹦赎。所以我們說(shuō)AtomicInteger是線(xiàn)程安全的。除了incrementAndGet()方法以外误堡，還有很多其他的操作古话，比如decrementAndGet()，getAndIncrement()锁施，getAndDecrement()陪踩，getAndAdd(int delta)，addAndGet(int delta)等等悉抵，實(shí)際上就是對(duì)i++肩狂，++i，i=i+n姥饰，i+=n這些操作的原子實(shí)現(xiàn)傻谁。
除了AtomicInteger以外，java.util.concurrent.atomic包中還有一些其他類(lèi)型列粪，比如AtomicBoolean审磁，AtomicLong等。
實(shí)現(xiàn)原理
那么AtomicInteger是如何實(shí)現(xiàn)在不使用synchronized的情況下保證原子性的呢岂座？我們來(lái)看一下源碼力图。
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// value在內(nèi)存中的地址偏移值
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// value為volatile的保證內(nèi)存可見(jiàn)性
private volatile int value;
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}
public final class Unsafe {
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
// 獲取volatile的Int，保證拿到的值是最新的
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// compareAndSwapInt 比較并交換 native方法
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
}
通過(guò)源碼我們看到在incrementAndGet()方法中調(diào)用了Unsafe類(lèi)的getAndAddInt方法掺逼，在這個(gè)方法內(nèi)部對(duì)value進(jìn)行compareAndSwapInt操作吃媒。通過(guò)這個(gè)方法名我們就可以看出是比較并交換，也就是我們之前提到過(guò)的CAS吕喘。也就是在執(zhí)行賦值操作時(shí)赘那，先看一下當(dāng)前值是不是我加之前的值，如果不是氯质，那我就重新加一次之后再進(jìn)行比較募舟，是一個(gè)循環(huán)的過(guò)程，這個(gè)過(guò)程也稱(chēng)作自旋闻察。
CAS這種處理方式雖然很高效的解決了原子操作拱礁，但是它仍然存在三個(gè)問(wèn)題，在實(shí)際開(kāi)發(fā)中一定要注意辕漂，結(jié)合自己的實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景使用呢灶。
ABA問(wèn)題
什么是ABA問(wèn)題呢，通俗理解钉嘹，就是你大爺還是你大爺鸯乃，你大媽已經(jīng)不是你大媽了~
什么意思呢？就是當(dāng)線(xiàn)程1取到A之后跋涣，有另一個(gè)線(xiàn)程2把A變成了B缨睡，又變成了A鸟悴，當(dāng)線(xiàn)程1再修改完值進(jìn)行CAS比較時(shí)，發(fā)現(xiàn)值還是A奖年，和自己取到的一樣细诸，就直接更新了，但是在這個(gè)過(guò)程中陋守，這個(gè)A中間是發(fā)生過(guò)變化的震贵。就好比一個(gè)小偷，偷了別人家錢(qián)然后再還回來(lái)嗅义，還是原來(lái)的錢(qián)嗎屏歹？雖然你的錢(qián)沒(méi)變，但是這個(gè)小偷已經(jīng)觸犯了法律之碗，而你自己還不知道蝙眶。
為了解決這個(gè)問(wèn)題，atomic包中提供了一個(gè)類(lèi)褪那，我們看下是如何解決的幽纷。
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
new Thread(() -> {
try {
int stamp = ref.getStamp();
String reference = ref.getReference();
System.out.println("線(xiàn)程1拿到的值:" + reference + " stamp:" + stamp);
// sleep 2秒模擬線(xiàn)程切換到2
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
boolean success = ref.compareAndSet(reference, "C", stamp, stamp + 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + success);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}, "線(xiàn)程1").start();
new Thread(() -> {
// 先改為B
int stamp = ref.getStamp();
String reference = ref.getReference();
System.out.println("線(xiàn)程2拿到的值:" + reference + " stamp:" + stamp);
ref.compareAndSet(reference, "B", stamp, stamp + 1);
// 再改回A
stamp = ref.getStamp();
reference = ref.getReference();
System.out.println("線(xiàn)程2拿到的值:" + reference + " stamp:" + stamp);
ref.compareAndSet(reference, "A", ref.getStamp(), stamp + 1);
}, "線(xiàn)程2").start();
}
我們可以看到AtomicStampedReference的compareAndSet()方法有4個(gè)參數(shù)：
- expectedReference：表示期望的引用值
- newReference：表示要修改后的新引用值
- expectedStamp：表示期望的戳（版本號(hào)）
- newStamp：表示修改后新的戳（版本號(hào)）
什么意思呢？就是在修改時(shí)不光比較值是不是和獲取到的一樣博敬，還要比較版本號(hào)友浸。這樣的話(huà)，每次操作時(shí)都對(duì)版本號(hào)加1偏窝，那么就算值從A改為B再改回A收恢，但是版本號(hào)從0改成了1又改成了2，并沒(méi)有變回0祭往，就可以避免ABA問(wèn)題的發(fā)生伦意。
循環(huán)時(shí)間變長(zhǎng)
在并發(fā)非常大的情況下，使用CAS可能會(huì)存在一些線(xiàn)程一直循環(huán)修改不成功硼补，導(dǎo)致循環(huán)時(shí)間變長(zhǎng)驮肉，會(huì)給CPU帶來(lái)很大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)。并且由于A(yíng)tomicReference中的引用是volatile的已骇，為了保證內(nèi)存可見(jiàn)性离钝，需要保證緩存一致性，通過(guò)總線(xiàn)傳輸數(shù)據(jù)褪储，當(dāng)有大量的CAS循環(huán)時(shí)卵渴，會(huì)產(chǎn)生總線(xiàn)風(fēng)暴。
只能保證一個(gè)變量的原子操作
CAS的第三個(gè)問(wèn)題就是AtomicReference中只能存放一個(gè)變量乱豆，如果需要保證多個(gè)變量操作的原子性奖恰，是做不到的。對(duì)于這種情況只能使用synchronized或者juc包中的Lock工具宛裕。
小結(jié)
簡(jiǎn)單做個(gè)小結(jié)瑟啃，使用int類(lèi)型在并發(fā)場(chǎng)景下存在線(xiàn)程安全問(wèn)題，可以用AtomicInteger來(lái)保證原子性操作揩尸，Atomic是通過(guò)CAS做到無(wú)鎖線(xiàn)程安全的蛹屿。但是CAS有三個(gè)問(wèn)題，第一ABA問(wèn)題岩榆，可以通過(guò)AtomicStampedReference解決错负；第二競(jìng)爭(zhēng)激烈情況下循環(huán)時(shí)間會(huì)變長(zhǎng)，會(huì)產(chǎn)生總線(xiàn)風(fēng)暴勇边；第三只能保證一個(gè)變量的原子操作犹撒。
具體業(yè)務(wù)場(chǎng)景中是使用synchronized，Lock等鎖工具還是使用Atomic的CAS無(wú)鎖操作粒褒，還是要結(jié)合場(chǎng)景考慮识颊。
好的，今天的內(nèi)容就到這里奕坟，我們下期見(jiàn)祥款。
