基础篇：Java原子组件和同步组件

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 前言

在使用多线程并发编程的时，经常会遇到对共享变量修改操作。此时我们可以选择ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue来进行安全地存储数据。但如果单单是涉及状态的修改，线程执行顺序问题，使用Atomic开头的原子组件或者ReentrantLock、CyclicBarrier之类的同步组件，会是更好的选择，下面将一一介绍它们的原理和用法

  • 原子组件的实现原理CAS
  • AtomicBoolean、AtomicIntegerArray等原子组件的用法、
  • 同步组件的实现原理
  • ReentrantLock、CyclicBarrier等同步组件的用法

原子组件的实现原理CAS

  • cas的底层实现可以看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现[1]

应用场景

  • 可用来实现变量、状态在多线程下的原子性操作
  • 可用于实现同步锁(ReentrantLock)

原子组件

  • 原子组件的原子性操作是靠使用cas来自旋操作volatile变量实现的
  • volatile的类型变量保证变量被修改时，其他线程都能看到最新的值
  • cas则保证value的修改操作是原子性的，不会被中断

基本类型原子类

 
 
 
    
  
  
  
  1. AtomicBoolean //布尔类型 
    2.   
  
  
  2. AtomicInteger //正整型数类型 
    3.   
  
  
  3. AtomicLong   //长整型类型 
    4.

使用示例

 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(false); 
    3.   
  
  
  3.     //异步线程修改atomicBoolean 
    4.   
  
  
  4.     CompletableFuture future = CompletableFuture.runAsync(() ->{ 
    5.   
  
  
  5.         try { 
    6.   
  
  
  6.             Thread.sleep(1000); //保证异步线程是在主线程之后修改atomicBoolean为false 
    7.   
  
  
  7.             atomicBoolean.set(false); 
    8.   
  
  
  8.         }catch (Exception e){ 
    9.   
  
  
  9.             throw new RuntimeException(e); 
    10.   
  
  
  10.         } 
    11.   
  
  
  11.     }); 
    12.   
  
  
  12.     atomicBoolean.set(true); 
    13.   
  
  
  13.     future.join(); 
    14.   
  
  
  14.     System.out.println("boolean value is:"+atomicBoolean.get()); 
    15.   
  
  
  15. } 
    16.   
  
  
  16. ---------------输出结果------------------ 
    17.   
  
  
  17. boolean value is:false 
    18.

引用类原子类

 
 
 
    
  
  
  
  1. AtomicReference 
    2.   
  
  
  2. //加时间戳版本的引用类原子类 
    3.   
  
  
  3. AtomicStampedReference 
    4.   
  
  
  4. //相当于AtomicStampedReference，AtomicMarkableReference关心的是 
    5.   
  
  
  5. //变量是否还是原来变量，中间被修改过也无所谓 
    6.   
  
  
  6. AtomicMarkableReference 
    7.
  • AtomicReference的源码如下，它内部定义了一个volatile V value，并借助VarHandle(具体子类是FieldInstanceReadWrite)实现原子操作，MethodHandles会帮忙计算value在类的偏移位置，最后在VarHandle调用Unsafe.public final native boolean compareAndSetReference(Object o, long offset, Object expected, Object x)方法原子修改对象的属性
 
 
 
    
  
  
  
  1. public class AtomicReference implements java.io.Serializable { 
    2.   
  
  
  2.     private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L; 
    3.   
  
  
  3.     private static final VarHandle VALUE; 
    4.   
  
  
  4.     static { 
    5.   
  
  
  5.         try { 
    6.   
  
  
  6.             MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup(); 
    7.   
  
  
  7.             VALUE = l.findVarHandle(AtomicReference.class, "value", Object.class); 
    8.   
  
  
  8.         } catch (ReflectiveOperationException e) { 
    9.   
  
  
  9.             throw new ExceptionInInitializerError(e); 
    10.   
  
  
  10.         } 
    11.   
  
  
  11.     } 
    12.   
  
  
  12.     private volatile V value; 
    13.   
  
  
  13.     .... 
    14.

ABA问题

  • 线程X准备将变量的值从A改为B，然而这期间线程Y将变量的值从A改为C，然后再改为A;最后线程X检测变量值是A，并置换为B。但实际上，A已经不再是原来的A了
  • 解决方法，是把变量定为唯一类型。值可以加上版本号，或者时间戳。如加上版本号，线程Y的修改变为A1->B2->A3，此时线程X再更新则可以判断出A1不等于A3
  • AtomicStampedReference的实现和AtomicReference差不多，不过它原子修改的变量是volatile Pair pair;，Pair是其内部类。AtomicStampedReference可以用来解决ABA问题 
 
 
 
    
  
  
  
  1. public class AtomicStampedReference { 
    2.   
  
  
  2.     private static class Pair { 
    3.   
  
  
  3.         final T reference; 
    4.   
  
  
  4.         final int stamp; 
    5.   
  
  
  5.         private Pair(T reference, int stamp) { 
    6.   
  
  
  6.             this.reference = reference; 
    7.   
  
  
  7.             this.stamp = stamp; 
    8.   
  
  
  8.         } 
    9.   
  
  
  9.         static  Pair of(T reference, int stamp) { 
    10.   
  
  
  10.             return new Pair(reference, stamp); 
    11.   
  
  
  11.         } 
    12.   
  
  
  12.     } 
    13.   
  
  
  13.     private volatile Pair pair; 
    14.
  • 如果我们不关心变量在中间过程是否被修改过，而只是关心当前变量是否还是原先的变量，则可以使用AtomicMarkableReference
  • AtomicStampedReference的使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public class Main { 
    2.   
  
  
  2.     public static void main(String[] args) throws Exception { 
    3.   
  
  
  3.         Test old = new Test("hello"), newTest = new Test("world"); 
    4.   
  
  
  4.         AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>(old, 1); 
    5.   
  
  
  5.         reference.compareAndSet(old, newTest,1,2); 
    6.   
  
  
  6.         System.out.println("对象："+reference.getReference().name+";版本号："+reference.getStamp()); 
    7.   
  
  
  7.     } 
    8.   
  
  
  8. } 
    9.   
  
  
  9. class Test{ 
    10.   
  
  
  10.     Test(String name){ this.name = name; } 
    11.   
  
  
  11.     public String name; 
    12.   
  
  
  12. } 
    13.   
  
  
  13. ---------------输出结果------------------ 
    14.   
  
  
  14. 对象：world;版本号：2 
    15.

数组原子类

 
 
 
    
  
  
  
  1. AtomicIntegerArray //整型数组 
    2.   
  
  
  2.  
    3.   
  
  
  3. AtomicLongArray //长整型数组 
    4.   
  
  
  4.  
    5.   
  
  
  5. AtomicReferenceArray //引用类型数组 
    6.
  • 数组原子类内部会初始一个final的数组，它把整个数组当做一个对象，然后根据下标index计算法元素偏移量，再调用UNSAFE.compareAndSetReference进行原子操作。数组并没被volatile修饰，为了保证元素类型在不同线程的可见，获取元素使用到了UNSAFEpublic native Object getReferenceVolatile(Object o, long offset)方法来获取实时的元素值
  • 使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. //元素默认初始化为0 
    2.   
  
  
  2. AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(2); 
    3.   
  
  
  3. // 下标为０的元素，期待值是0，更新值是１ 
    4.   
  
  
  4. array.compareAndSet(0,0,1); 
    5.   
  
  
  5. System.out.println(array.get(0)); 
    6.   
  
  
  6. ---------------输出结果------------------ 
    7.   
  
  
  7. 1 
    8.

属性原子类

 
 
 
    
  
  
  
  1. AtomicIntegerFieldUpdater  
    2.   
  
  
  2. AtomicLongFieldUpdater 
    3.   
  
  
  3. AtomicReferenceFieldUpdater 
    4.
  • 如果操作对象是某一类型的属性，可以使用AtomicIntegerFieldUpdater原子更新，不过类的属性需要定义成volatile修饰的变量，保证该属性在各个线程的可见性，否则会报错
  • 使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public class Main { 
    2.   
  
  
  2.     public static void main(String[] args) { 
    3.   
  
  
  3.         AtomicReferenceFieldUpdater fieldUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Test.class,String.class,"name"); 
    4.   
  
  
  4.         Test test = new Test("hello world"); 
    5.   
  
  
  5.         fieldUpdater.compareAndSet(test,"hello world","siting"); 
    6.   
  
  
  6.         System.out.println(fieldUpdater.get(test)); 
    7.   
  
  
  7.         System.out.println(test.name); 
    8.   
  
  
  8.     } 
    9.   
  
  
  9. } 
    10.   
  
  
  10. class Test{ 
    11.   
  
  
  11.     Test(String name){ this.name = name; } 
    12.   
  
  
  12.     public volatile String name; 
    13.   
  
  
  13. } 
    14.   
  
  
  14. ---------------输出结果------------------ 
    15.   
  
  
  15. siting 
    16.   
  
  
  16. siting 
    17.

累加器

 
 
 
    
  
  
  
  1. Striped64 
    2.   
  
  
  2. LongAccumulator 
    3.   
  
  
  3. LongAdder 
    4.   
  
  
  4. //accumulatorFunction：运算规则，identity：初始值 
    5.   
  
  
  5. public LongAccumulator(LongBinaryOperator accumulatorFunction,long identity) 
    6.
  • LongAccumulator和LongAdder都继承于Striped64，Striped64的主要思想是和ConcurrentHashMap有点类似，分段计算，单个变量计算并发性能慢时，我们可以把数学运算分散在多个变量，而需要计算总值时，再一一累加起来
  • LongAdder相当于LongAccumulator一个特例实现
  • LongAccumulator的示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator(Long::sum, 0); 
    3.   
  
  
  3.     for(int i=0;i<100000;i++){ 
    4.   
  
  
  4.         CompletableFuture.runAsync(() -> accumulator.accumulate(1)); 
    5.   
  
  
  5.     } 
    6.   
  
  
  6.     Thread.sleep(1000); //等待全部CompletableFuture线程执行完成，再获取 
    7.   
  
  
  7.     System.out.println(accumulator.get()); 
    8.   
  
  
  8. } 
    9.   
  
  
  9. ---------------输出结果------------------ 
    10.   
  
  
  10. 100000 
    11.

同步组件的实现原理

java的多数同步组件会在内部维护一个状态值，和原子组件一样，修改状态值时一般也是通过cas来实现。而状态修改的维护工作被Doug Lea抽象出AbstractQueuedSynchronizer(AQS)来实现

AQS的原理可以看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现[2]

同步组件

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

  • ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock都是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的。因为它们有公平锁和非公平锁的区分，因此没直接继承AQS，而是使用内部类去继承，公平锁和非公平锁各自实现AQS，ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock再借助内部类来实现同步
  • ReentrantLock的使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
    2.   
  
  
  2. if(lock.tryLock()){ 
    3.   
  
  
  3.     //业务逻辑 
    4.   
  
  
  4.     lock.unlock(); 
    5.   
  
  
  5. } 
    6.
  • ReentrantReadWriteLock的使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); 
    3.   
  
  
  3.     if(lock.readLock().tryLock()){ //读锁 
    4.   
  
  
  4.         //业务逻辑 
    5.   
  
  
  5.         lock.readLock().unlock(); 
    6.   
  
  
  6.     } 
    7.   
  
  
  7.     if(lock.writeLock().tryLock()){ //写锁 
    8.   
  
  
  8.         //业务逻辑 
    9.   
  
  
  9.         lock.writeLock().unlock(); 
    10.   
  
  
  10.     } 
    11.   
  
  
  11. } 
    12.

Semaphore实现原理和使用场景

  • Semaphore和ReentrantLock一样，也有公平和非公平竞争锁的策略，一样也是通过内部类继承AQS来实现同步
  • 通俗解释：假设有一口井，最多有三个人的位置打水。每有一个人打水，则需要占用一个位置。当三个位置全部占满时，第四个人需要打水，则要等待前三个人中一个离开打水位，才能继续获取打水的位置
  • 使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     Semaphore semaphore = new Semaphore(2); 
    3.   
  
  
  3.     for (int i = 0; i < 3; i++) 
    4.   
  
  
  4.         CompletableFuture.runAsync(() -> { 
    5.   
  
  
  5.             try { 
    6.   
  
  
  6.                 System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " start "); 
    7.   
  
  
  7.                 if(semaphore.tryAcquire(1)){ 
    8.   
  
  
  8.                     Thread.sleep(1000); 
    9.   
  
  
  9.                     semaphore.release(1); 
    10.   
  
  
  10.                     System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 无阻塞结束 "); 
    11.   
  
  
  11.                 }else { 
    12.   
  
  
  12.                     System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 被阻塞结束 "); 
    13.   
  
  
  13.                 } 
    14.   
  
  
  14.             } catch (Exception e) { 
    15.   
  
  
  15.                 throw new RuntimeException(e); 
    16.   
  
  
  16.             } 
    17.   
  
  
  17.         }); 
    18.   
  
  
  18.     //保证CompletableFuture 线程被执行，主线程再结束 
    19.   
  
  
  19.     Thread.sleep(2000); 
    20.   
  
  
  20. } 
    21.   
  
  
  21. ---------------输出结果------------------ 
    22.   
  
  
  22. Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] start  
    23.   
  
  
  23. Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] start  
    24.   
  
  
  24. Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] start  
    25.   
  
  
  25. Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] 被阻塞结束  
    26.   
  
  
  26. Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] 无阻塞结束  
    27.   
  
  
  27. Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] 无阻塞结束  
    28.

可以看出三个线程，因为信号量设定为2，第三个线程是无法获取信息成功的，会打印阻塞结束

CountDownLatch实现原理和使用场景

  • CountDownLatch也是靠AQS实现的同步操作
  • 通俗解释：玩游戏时，假如主线任务需要靠完成五个小任务，主线任务才能继续进行时。此时可以用CountDownLatch，主线任务阻塞等待，每完成一小任务，就done一次计数，直到五个小任务全部被执行才能触发主线
  • 使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     CountDownLatch count = new CountDownLatch(2); 
    3.   
  
  
  3.     for (int i = 0; i < 2; i++) 
    4.   
  
  
  4.         CompletableFuture.runAsync(() -> { 
    5.   
  
  
  5.             try { 
    6.   
  
  
  6.                 Thread.sleep(1000); 
    7.   
  
  
  7.                 System.out.println(" CompletableFuture over "); 
    8.   
  
  
  8.                 count.countDown(); 
    9.   
  
  
  9.             } catch (Exception e) { 
    10.   
  
  
  10.                 throw new RuntimeException(e); 
    11.   
  
  
  11.             } 
    12.   
  
  
  12.         }); 
    13.   
  
  
  13.     //等待CompletableFuture线程的完成 
    14.   
  
  
  14.     count.await(); 
    15.   
  
  
  15.     System.out.println(" main over "); 
    16.   
  
  
  16. } 
    17.   
  
  
  17. ---------------输出结果------------------ 
    18.   
  
  
  18.  CompletableFuture over  
    19.   
  
  
  19.  CompletableFuture over  
    20.   
  
  
  20.  main over  
    21.

CyclicBarrier实现原理和使用场景

  • CyclicBarrier则是靠ReentrantLock lock和Condition trip属性来实现同步
  • 通俗解释：CyclicBarrier需要阻塞全部线程到await状态，然后全部线程再全部被唤醒执行。想象有一个栏杆拦住五只羊，需要当五只羊一起站在栏杆时，栏杆才会被拉起，此时所有的羊都可以飞跑出羊圈
  • 使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2); 
    3.   
  
  
  3.     CompletableFuture.runAsync(()->{ 
    4.   
  
  
  4.         try { 
    5.   
  
  
  5.             System.out.println("CompletableFuture run start-"+ Clock.systemUTC().millis()); 
    6.   
  
  
  6.             barrier.await(); //需要等待main线程也执行到await状态才能继续执行 
    7.   
  
  
  7.             System.out.println("CompletableFuture run over-"+ Clock.systemUTC().millis()); 
    8.   
  
  
  8.         }catch (Exception e){ 
    9.   
  
  
  9.             throw new RuntimeException(e); 
    10.   
  
  
  10.         } 
    11.   
  
  
  11.     }); 
    12.   
  
  
  12.     Thread.sleep(1000); 
    13.   
  
  
  13.     //和CompletableFuture线程相互等待 
    14.   
  
  
  14.     barrier.await(); 
    15.   
  
  
  15.     System.out.println("main run over!"); 
    16.   
  
  
  16. } 
    17.   
  
  
  17. ---------------输出结果------------------ 
    18.   
  
  
  18. CompletableFuture run start-1609822588881 
    19.   
  
  
  19. main run over! 
    20.   
  
  
  20. CompletableFuture run over-1609822589880 
    21.

StampedLock

  • StampedLock不是借助AQS，而是自己内部维护多个状态值，并配合cas实现的
  • StampedLock具有三种模式：写模式、读模式、乐观读模式
  • StampedLock的读写锁可以相互转换
 
 
 
    
  
  
  
  1. //获取读锁，自旋获取，返回一个戳值 
    2.   
  
  
  2. public long readLock() 
    3.   
  
  
  3. //尝试加读锁，不成功返回0 
    4.   
  
  
  4. public long tryReadLock() 
    5.   
  
  
  5. //解锁 
    6.   
  
  
  6. public void unlockRead(long stamp)  
    7.   
  
  
  7. //获取写锁，自旋获取，返回一个戳值 
    8.   
  
  
  8. public long writeLock() 
    9.   
  
  
  9. //尝试加写锁，不成功返回0 
    10.   
  
  
  10. public long tryWriteLock() 
    11.   
  
  
  11. //解锁 
    12.   
  
  
  12. public void unlockWrite(long stamp) 
    13.   
  
  
  13. //尝试乐观读读取一个时间戳，并配合validate方法校验时间戳的有效性 
    14.   
  
  
  14. public long tryOptimisticRead() 
    15.   
  
  
  15. //验证stamp是否有效 
    16.   
  
  
  16. public boolean validate(long stamp) 
    17.
  • 使用示例
 
 
 
    
  
  
  
  1. public static void main(String[] args) throws Exception { 
    2.   
  
  
  2.     StampedLock stampedLock = new StampedLock(); 
    3.   
  
  
  3.     long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); 
    4.   
  
  
  4.     //判断版本号是否生效 
    5.   
  
  
  5.     if (!stampedLock.validate(stamp)) { 
    6.   
  
  
  6.         //获取读锁，会空转 
    7.   
  
  
  7.         stamp = stampedLock.readLock(); 
    8.   
  
  
  8.         long writeStamp = stampedLock.tryConvertToWriteLock(stamp); 
    9.   
  
  
  9.         if (writeStamp != 0) { //成功转为写锁 
    10.   
  
  
  10.             //fixme 业务操作 
    11.   
  
  
  11.             stampedLock.unlockWrite(writeStamp); 
    12.   
  
  
  12.         } else { 
    13.   
  
  
  13.             stampedLock.unlockRead(stamp); 
    14.   
  
  
  14.             //尝试获取写读 
    15.   
  
  
  15.             stamp = stampedLock.tryWriteLock(); 
    16.   
  
  
  16.             if (stamp != 0) { 
    17.   
  
  
  17.                 //fixme 业务操作 
    18.   
  
  
  18.                 stampedLock.unlockWrite(writeStamp); 
    19.   
  
  
  19.             } 
    20.   
  
  
  20.         } 
    21.   
  
  
  21.     } 
    22.   
  
  
  22. }     
    23.

参考文章

  • 并发之Striped64(l累加器)[3]

参考资料

[1]详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现: https://juejin.cn/post/6854573210768900110

[2]详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现: https://juejin.cn/post/6854573210768900110

[3]并发之Striped64(l累加器): https://www.cnblogs.com/gosaint/p/9129867.html

当前名称：基础篇：Java原子组件和同步组件
文章网址：http://www.csdahua.cn/qtweb/news34/405434.html

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