浅析Java中的原子操作

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浅析Java中的原子操作

javaedge 2018-01-30 14:40:00 浏览489
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1 Java的指针Unsafe类

Java放弃了指针,获得了更高的安全性和内存自动清理的能力。但是,它还是在一个角落里提供了类似于指针的功能,那就是sun.misc.Unsafe类,利用这个类,可以完成许多需要指针才能提供的功能,例如构造一个对象,但是不调用构造函数;找到对象中一个变量的地址,然后直接给它赋值,无视其final属性;通过地址直接操作数组;或者是进行CAS操作。例子如下:

public class UnSafeExam {
    public static void main(String[] args) throws InstantiationException, NoSuchFieldException {
        //获得一个UnSafe实例
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) f.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        if (unsafe != null) {
            try {
                //构造一个对象,且不调用其构造函数
                Test test = (Test) unsafe.allocateInstance(Test.class);
                //得到一个对象内部属性的地址
                long x_addr = unsafe.objectFieldOffset(Test.class.getDeclaredField("x"));
                //直接给此属性赋值
                unsafe.getAndSetInt(test, x_addr, 47);
                System.out.println(test.getX());
            } catch (InstantiationException e) {
                e.printStackTrace();
            } catch (NoSuchFieldException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        //通过地址操作数组
        if (unsafe != null) {
            final int INT_BYTES = 4;
            int[] data = new int[10];
            System.out.println(Arrays.toString(data));
            long arrayBaseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
            System.out.println("Array address is :" + arrayBaseOffset);
            unsafe.putInt(data, arrayBaseOffset, 47);
            unsafe.putInt(data, arrayBaseOffset + INT_BYTES * 8, 43);
            System.out.println(Arrays.toString(data));
        }

        //CAS
        if (unsafe != null) {
            Test test = (Test) unsafe.allocateInstance(Test.class);
            long x_addr = unsafe.objectFieldOffset(Test.class.getDeclaredField("x"));
            unsafe.getAndSetInt(test, x_addr, 47);
            unsafe.compareAndSwapInt(test, x_addr, 47, 78);
            System.out.println("After CAS:" + test.getX());
        }

    }

    static class Test {
        private final int x;

        Test(int x) {
            this.x = x;
            System.out.println("Test ctor");
        }

        int getX() {
            return x;
        }

    }
}
47
[0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0]
Array address is :16
[47, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 43, 0]
After CAS:78

熟悉反射的人应该很快能够理解上面的代码,下面重点说说CAS这个操作

2 CAS

CAS即CompareAndSwap操作,在Unsafe中它有如下形式:


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  • 其中第一和第二个参数代表对象的实例以及地址
  • 第三个参数代表期望值
  • 第四个参数代表更新值

CAS的语义是,若期望值等于对象地址存储的值,则用更新值来替换对象地址存储的值,并返回true,否则不进行替换,返回false

后面我们会看到诸多的原子变量,例如AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等等都提供了CAS操作
底层都是调用了Unsafe的CAS,它们的参数往往是三个,对象值、期望值和更新值,其语义也与Unsafe中的一致。

CAS是所有原子变量的原子性的基础,为什么一个看起来如此不自然的操作却如此重要呢?
其原因就在于这个native操作会最终演化为一条CPU指令cmpxchg,而不是多条CPU指令
由于CAS仅仅是一条指令,因此它不会被多线程的调度所打断,所以能够保证CAS操作是一个原子操作
由此可知
原子变量提供的原子性来自CAS操作,CAS来自Unsafe,然后由CPU的cmpxchg指令来保证

3 i++不是线程安全的

所谓“线程安全”,是在多线程的环境下,多次运行,其结果是不变的,或者说其结果是可预知的

若某些对变量的操作不能保持原子性,则其操作就不是线程安全的。
为了说明原子性,来给出一个没有实现原子性的例子,例如i++这一条语句,它实际上会被编译为两条CPU指令,因此若一些线程在运行时被从中打断,就会造成不确定的后果,如下:


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十个线程分别对i变量进行10000次i++操作,若i++是线程安全的,则最终i应该等于100000,但是你会发现每次结果都不一样。

当程序更新一个变量时,如果多线程同时更新这个变量,可能得到期望之外的值,比如变量i=1,A线程更新i+1,B线程也更新i+1,经过两个线程操作之后可能i不等于3,而是等于2。因为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1,这就是线程不安全的更新操作,通常我们会使用synchronized来解决这个问题,synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。

4 原子类

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而从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包,这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。
因为变量的类型有很多种,所以在Atomic包里一共提供了13个类,属于4种类型的原子更新方式,分别是

  • 原子更新基本类型
  • 原子更新数组
  • 原子更新引用
  • 原子更新属性(字段)

Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

4.1 原子更新基本类型类

若要保持一个变量改变数值时的原子性,目前Java最简单的方法就是使用相应的原子变量


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这次的结果为保持为100000了。因为AtomicInteger的incrementAndGet()操作是原子性的
观察其内部代码,它使用了Unsafe的compareAndSwapInt()方法。

那么现在整形有AtomicInteger,长整型有AtomicLong,布尔型有AtomicBoolean,那么浮点型怎么办?JDK的说法是程序员可以利用AtomicInteger以及Float.floatToRawIntBits和Float.intBitsToFloat来自己实现一个AtomicFloat;利用AtomicLong以及Double.doubleToRawLongBits和Double.longBitsToDouble来自己实现一个AtomicDouble。在网上可以搜索到相应的实现实现JDK没有提供的AtomicFloat,这里就不再赘述了。

使用原子的方式更新基本类型,Atomic包提供了以下3个类

  • AtomicBoolean:原子更新布尔类型
  • AtomicInteger:原子更新整型
  • AtomicLong:原子更新长整型

以上3个类提供的方法几乎一模一样,所以本文仅以AtomicInteger为例,常用方法如下

  • int addAndGet(int delta):以原子方式将输入的数值与实例中的值(AtomicInteger里的value)相加,并返回结果


    img_1c1b1a8179189aad18bef865c61116dd.png
  • 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的值


    img_172c5da47989b012ce6584b76aa64f68.png
  • int getAndIncrement():以原子方式将当前值加1,注意,这里返回的是自增前的值


    img_0cdf746c1e076a903fb4aece88c2acc0.png
  • void lazySet(int newValue):JDK6所增加,最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后,可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值


    img_a812a8337951792508f86e8e73b3737f.png
  • int getAndSet(int newValue):以原子方式设置为newValue的值,并返回旧值


    img_8be21b8c5e3777307a7724f9be6444df.png

那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢?让我们一起看看源码

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

源码中for循环体

  • 第一步先取得AtomicInteger里存储的数值
  • 第二步对AtomicInteger的当前数值进行加1操作
  • 关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作,该方法先检查当前数值是否等于current
  • 等于:意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过,则AtomicInteger的当前数值更新成next的值
  • 不等:compareAndSet方法会返回false,程序会进入for循环重新进行compareAndSet操作

Atomic包提供了3种基本类型的原子更新,但是Java的基本类型里还有char、float和double等.那么问题来了,如何原子的更新其他的基本类型呢?Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的,让我们一起看一下Unsafe的源码


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我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法,再看AtomicBoolean源码


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发现它是先把Boolean转换成整型,再使用compareAndSwapInt进行CAS,所以原子更新char、float和double变量也可以用类似思路.

4.2 原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素,Atomic包提供了以下3个类

  • AtomicIntegerArray:原子更新整型数组里的元素
  • AtomicLongArray:原子更新长整型数组里的元素
  • AtomicReferenceArray:原子更新引用类型数组里的元素

AtomicIntegerArray类常用方法如下:

  • int addAndGet(int i,int delta):以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加


    img_4a8c51d1dd52163dad9b96b6a912f2af.png
  • boolean compareAndSet(int i,int expect,int update):如果当前值等于预期值,则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值.


    img_08ca8a4a5f43d2af511ffab1e91815e8.png

    数组中每个元素在改变时都可以保持原子性


    img_5fba806789c91bd1995204981ce115f5.png

10个线程分别对array[0]和array[1]进行了10000次加1操作,结果符合原子性。还有一点值得注意的是,为了性能考虑,应该尽量使用AtomicIntegerArray[n],而不是AtomicInteger[n],因为后者需要创建n个原子变量实例,而前者只需要创建一个原子变量数组实例,而完成的功能是一样的

以上几个类提供的方法几乎一样,所以仅以AtomicIntegerArray为例,使用实例代码如下


img_a786b5b867615cf8a120a16fd8ff4045.png

值得注意的是,数组value通过构造方法传递进去,然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份,所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时,不会影响传入的数组.

4.3 AtomicReference(原子更新引用)

原子更新基本类型的AtomicInteger,只能更新一个变量,如果要原子更新多个变量,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。

Atomic包提供了以下3个类:

  • AtomicReference:原子更新引用类型

  • AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用类型里的字段。

  • AtomicMarkableReference:原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef,boolean initialMark)。


    img_3a12675063e075c3e77ea1f5e04465af.png
    示例代码
  • 如果有好几个变量要同时进行原子化的改变,那么可以把这几个变量放到一个Java类中,做成一个所谓的POJO(Plain Ordinary Java Object)类,然后使用AtomicReference来操作这个类。

  • 以下这段代码


    img_d193a7b76f0d96565a36e6c541fed8d5.png

    是一种很通用的写法,在很多情况下,这种类似的写法都被称之为自旋锁(spinLock)。
    在使用AtomicReference的时候,会常常使用这种写法。

以上几个类提供的方法几乎一样,仅以AtomicReference为例


img_288743a4dd0e3ce207b6bd7e598780e4.png

首先构建一个user对象,然后把user对象设置进AtomicReference,最后调用
compareAndSet进行原子更新操作,实现原理同AtomicInteger里compareAndSet

4.4 原子更新字段

原子地更新某个类里的某个字段
Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新

  • AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型的字段的更新器
  • AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整型字段的更新器。
  • AtomicStampedReference:原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来,可用于原子的更新数据和数据的版本号,可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的ABA问题。

要想原子地更新字段类需要两步

  • 第一步,因为原子更新字段类都是抽象类,每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器,并设置想要更新的类和属性
  • 第二步,更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符,不能是 static

应用场景

如果已经有一个写好的类,但是随着业务场景的变化,其中某些属性在写入的时候需要保持原子性,那么就可以使用以上的类来实现这种原子性,并保持类的原有接口不变

public class AtomicIntegerFieldUpdaterExam {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Student student = new Student(0, "Alex Wang");
        AtomicIntegerFieldUpdater<Student> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "id");
        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            service.execute(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                        updater.getAndIncrement(student);
                    }
                }
            });
        }
        service.shutdown();
        service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
        System.out.println(student);
    }

    private static class Student {
        volatile int id;
        String name;

        public Student(int id, String name) {
            this.id = id;
            this.name = name;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "Student id = " + id + ",name = " + name;
        }
    }
}

上面的例子中给出了一个原有的类Student,其中属性id是volatile int(属性须volatile),为了使这个属性能够被原子的改变,我们创建了一个AtomicIntegerFieldUpdater,其构造方法为AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "id"),注意第一个参数是一个class,而第二个参数是属性名字的字符串值(这里显然用到了反射)。接下来就可以使用这个Updater来更新属性值了,用法类似于AtomicInteger。
10个线程分别对这个属性进行了10000次加1操作,结果为100000。

以上3个类提供的方法几乎一样,所以以AstomicIntegerFieldUpdater为例
示例代码

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    // 创建原子更新器,并设置需要更新的对象类和对象的属性
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.
            newUpdater(User.class, "old");
    public static void main(String[] args) {
// 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("conan", 10);
// 柯南长了一岁,但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
// 输出柯南现在的年龄
        System.out.println(a.get(conan));
    }
    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;
        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

5 AtomicStampedReference带有版本号的原子引用

AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference是atomic包中两个比较难以理解的类,它们都是为了解决ABA问题而创建出来的。

5.1 ABA问题

在介绍AtomicReference时,为了实现原子引用的原子性改变,需要用一种类似于自旋锁的代码写法

boolean flag = false;
while (!flag) {
  Element oldValue = reference.get();
  Element newValue = new Element(…);
  //如果有其他线程在这里将oldValue从A改为B,做了一些事情,然后又将oldValue改为A,则下面的语句依然能够返回true
  flag = reference.compareAndSet(oldValue, newValue);
}

oldValue从A改为B,又改回A,不会影响compareAndSet的返回值
但在某些情况下,会造成不确定的结果,影响线程安全性,这种问题就叫做自旋锁的ABA问题


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ABA问题一般存在于链表、栈这类的并发数据结构中
从上面的例子中可以看出,由于ABA问题,最后的结果是,在特定的条件下,一个ACD栈(三个元素),经过一个pop操作(线程1)变成了B(一个元素),这显然不是线程安全的
下面的代码中,模拟了这个例子(其中很多地方并未充分考虑并发的正确性,主要是为了展示ABA问题)

public class ABAProblem {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        MyStack<String> stack = new MyStack<>();
        stack.push("B");
        stack.push("A");
        System.out.println("Stack init:" + stack);

        ExecutorService service = Executors.newCachedThreadPool();
        service.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Thread.currentThread().setName("Thread1");
                stack.pop();
                System.out.println("Thread1 pop :" + stack);
            }
        });
        service.execute(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                Thread.currentThread().setName("Thread2");
                Node<String> A = stack.pop();
                System.out.println("Thread2 pop :" + stack);
                stack.pop();
                System.out.println("Thread2 pop :" + stack);
                stack.push("D");
                System.out.println("Thread2 push D:" + stack);
                stack.push("C");
                System.out.println("Thread2 push C:" + stack);
                stack.push(A);
                System.out.println("Thread2 push A:" + stack);
            }
        });
        service.shutdown();
        service.awaitTermination(1, TimeUnit.DAYS);
        System.out.println("Stack result:" + stack);
    }

    static class MyStack<T> {
        AtomicReference<Node<T>> head = new AtomicReference<>(null);

        public void push(T value) {
            Node<T> node = new Node<>(value);
            push(node);
        }

        public void push(Node<T> node) {
            for (; ; ) {
                Node<T> tmpHead = head.get();
                if (head.compareAndSet(tmpHead, node)) {
                    node.setNext(tmpHead);
                    return;
                }
            }
        }

        public Node<T> pop() {
            for (; ; ) {
                Node<T> node = head.get();
                if (node == null) {
                    return null;
                }
                Node<T> nextNode = node.getNext();
                // add this sleep to cause ABA problem
                if (Thread.currentThread().getName().equals("Thread1")) {
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
                if (head.compareAndSet(node, nextNode)) {
                    return node;
                }
            }
        }

        @Override
        public String toString() {
            StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
            Node<T> node = head.get();
            while (node != null) {
                sb.append(node.getValue());
                if (node.getNext() != null) {
                    sb.append(",");
                }
                node = node.getNext();
            }
            sb.append("]");
            return sb.toString();
        }
    }

    private static class Node<T> {
        private T value;
        private Node<T> next;
    }
}

运行结果是:

Stack init:[A,B]
Thread2 pop :[B]
Thread2 pop :[]
Thread2 push D:[D]
Thread2 push C:[C,D]
Thread2 push A:[A,C,D]
Thread1 pop :[B]
Stack result:[B]

代码中的push和pop方法都用无限循环的for语句实现,这也是并发中的常见写法,与前面类似自旋锁的while语句实现类似的功能,但由于不需要定义一个boolean变量,因此更加简洁。为了保证ABA问题一定出现,我特意插入了一个针对特定线程的sleep语句。在现实中,出现ABA的几率其实是很小的。

5.2 用AtomicStampedReference解决ABA问题

ABA问题的实质是:在并发编程中,仅靠检查变量值无法知道是否被改动过,加上一个版本号(当变量改变就改变其版本号)才能确定变量保持不变。
AtomicStampedReference实现了此功能,它保存变量引用的同时,还赋予此变量一个版本号。每当变量改动时(这个改动是程序员自定义的,例如存储的数值改变,或者是变量在内存中的位置移动了,或者是变量在某一个数据结构中被移动了),AtomicStampedReference可以同时改动版本号;因此在进行CAS操作时,同时检查引用和版本号,只有同时符合才能成功。如此变可以确保ABA问题不会发生了。
代码进行如下改动(仅改动MyStack):

static class MyStack<T> {
    //initialStamp = 0
    AtomicStampedReference<Node<T>> head = new AtomicStampedReference<>(null, 0);

    public void push(T value) {
        Node<T> node = new Node<>(value);
        push(node);
    }

    public void push(Node<T> node) {
        for (; ; ) {
            Node<T> tmpHead = head.getReference();
            int stamp = head.getStamp();
            if (head.compareAndSet(tmpHead, node, stamp, stamp + 1)) {
                node.setNext(tmpHead);
                return;
            }
        }
    }

    public Node<T> pop() {
        for (; ; ) {
            Node<T> node = head.getReference();
            int stamp = head.getStamp();
            if (node == null) {
                return null;
            }
            Node<T> nextNode = node.getNext();

            // add this sleep to cause ABA problem
            if (Thread.currentThread().getName().equals("Thread1")) {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
            if (head.compareAndSet(node, nextNode, stamp, stamp + 1)) {
                return node;
            }
        }
    }

    @Override
    public String toString() {
        StringBuilder sb = new StringBuilder("[");
        Node<T> node = head.getReference();
        while (node != null) {
            sb.append(node.getValue());
            if (node.getNext() != null) {
                sb.append(",");
            }
            node = node.getNext();
        }
        sb.append("]");
        return sb.toString();
    }
}

在每次改动head保存的变量时,都同时给版本号加1,这样就避免了ABA问题的发生,运行结果如下:

Stack init:[A,B]
Thread2 pop :[B]
Thread2 pop :[]
Thread2 push D:[D]
Thread2 push C:[C,D]
Thread2 push A:[A,C,D]
Thread1 pop :[C,D]
Stack result:[C,D]

另外值得一提的是,AtomicStampedReference还有一个简化版AtomicMarkableReference,它保存的版本号是一个boolean值,适用于某些简化的情景下。

小结

所谓“线程安全的”,就是在并发环境下能够保持运行结果不变。除了原始的synchronize阻塞方法外,使用原子性的语句能够在保持线程安全的前提下提供更好的性能。原子性的基础是CAS语句,而它则是由Unsafe类提供的。有了此利器,JDK提供了AtomicInteger、AtomicBoolean和AtomicLong等类来实现整形、布尔型和长整型变量的原子增减操作;提供了AtomicReference来实现引用类型的原子操作;提供了AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater和AtomicReferenceFieldUpdater来实现原有类中某个属性的原子更新操作;提供了AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray等原子数组,数组中每个元素在改变时都可以保持原子性。为了避免ABA问题,提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference。

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