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文章目录
线程安全性文章索引
并发编程-03线程安全性之原子性（Atomic包）及原理分析
并发编程-04线程安全性之原子性Atomic包的4种类型详解
并发编程-05线程安全性之原子性【锁之synchronized】
并发编程-06线程安全性之可见性 (synchronized + volatile)
脑图
概述
在实际应用中，当我们更新一个变量时，在并发环境下，如果多个线程同时去更新这个变量，更新后的值可能不是我们期望的值。
如果理解Java内存模型 JMM的原理的话，上面这个结论就很容易理解了。可参考下前面写的这篇文章
并发编程-02并发基础CPU多级缓存和Java内存模型JMM
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举个例子：
【多线程场景】假设有个变量a在主内存中的初始值为1，线程A和线程B同时从主内存中获取到了a的值，线程A更新a+1，线程B也更新a+1，经过线程AB更新之后可能a不等于3，而是等于2。因为A和B线程在更新变量a的时候从主内存中拿到的a都是1，而不是等A更新完刷新到主内存后，线程B再从主内存中取a的值去更新a，所以这就是线程不安全的更新操作.
解决办法
- 使用锁 1. 使用synchronized关键字synchronized会保证同一时刻只有一个线程去更新变量. 2、Lock接口【篇幅原因先不讨论synchronized和lock，另开篇介绍】
- 使用JDK1.5开始提供的java.util.concurrent.atomic包，该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。
这里我们使用的JDK版本JDK8
原子更新基本类型
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AtomicInteger为例看下JDK8源码中提供的方法
列举几个常用的方法：
- 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
- 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
- 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
- int incrementAndGet()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增后的值
- void lazySet（int newValue）：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
Demo
package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicIntegerDemo {
// 实例化一个初始值为5的AtomicInteger
private static AtomicInteger value = new AtomicInteger(5);
public static void main(String[] args) {
// 以原子方式将输入的数值与value 相加，并返回结果
log.info("value的值：{}" ,value.addAndGet(3));
// 获取value的值
log.info("value的值：{}",value.get());
// 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
log.info("执行结果：{}" ,value.compareAndSet(8, 11)); // 因为经过了addAndGet，操作之前value的值为8，这里会将value更新成11，返回true
log.info("执行结果：{}" ,value.compareAndSet(5, 11)); // 因为经过了addAndGet，操作之前value的值为8，并不等于5，因此不会更新为11，返回false
log.info("value的值：{}" ,value.get());
log.info("value 增长前的值：{}",value.getAndIncrement());
log.info("value的值：{}" ,value.get());
log.info("value 增长后的值：{}",value.incrementAndGet());
log.info("value的值：{}" ,value.get());
// 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
value.lazySet(99);
log.info("lazyset value: {}",value.get());
}
}
执行结果：
AtomicBoolean 场景举例
假设流程中的某个方法只能执行一次初始化操作， 我们可以设置个flag, 使用AtomicBoolean去更新flag的值，执行方法前调用compareAndSet方法来判断如果该值为flase，更新为true，并执行该方法。 因为是线程安全的，所以后续的访问flag均为true,不满足if条件，所以均不会执行该方法。
package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicBooleanDemo {
//总请求数
private static int clientTotal = 5000;
// 同一时间允许执行的线程数
private static int threadTotal = 200;
// 标识 ，使用原子包中的AtomicBoolean 初始化为false
private static AtomicBoolean atomicBooleanFlag = new AtomicBoolean(false);
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 线程池
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
// 信号量 同一时间允许threadTotal个请求同时执行 即初始化threadTotal个信号量
Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
//定义clientTotal个线程需要执行完，主线程才能继续执行
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
// 循环
for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
executorService.execute(() ->{
try {
semaphore.acquire();
doSomething();
semaphore.release();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
// 减一
countDownLatch.countDown();
});
}
// 当全部线程都调用了countDown方法，count的值等于0，然后主线程就能通过await()方法，恢复执行自己的任务。
countDownLatch.await();
// 关闭线程池
executorService.shutdown();
log.info("flag:{}" ,atomicBooleanFlag.get());
}
private static void doSomething() {
// 如果flag为flase就将其设置为true
if (atomicBooleanFlag.compareAndSet(false, true)) {
log.info("doSomething executed");
}
}
}
输出
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
我们以AtomicIntegerArray为例来演示下用法
常用方法
- 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
- 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
Demo
package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicIntegerArrayDemo {
private static int[] array = new int[] { 11, 22 };
private static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(array);
public static void main(String[] args) {
// 给array[0]的值增加33 ，然后返回增长后的值 44
log.info("atomicIntegerArray addAndGet ：{}", atomicIntegerArray.addAndGet(0, 33)); // 44
// 输出 atomicIntegerArray中
log.info("atomicIntegerArray get ：{}", atomicIntegerArray.get(0)); // 44
// 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
log.info("array[0]的值： {}", array[0]); // 11
// 先get 然后再add ,返回add之前的值
log.info("atomicIntegerArray getAndAdd ：{}", atomicIntegerArray.getAndAdd(0, 33)); // 44
log.info("atomicIntegerArray .get(0) ：{}", atomicIntegerArray.get(0)); // 44+33
log.info("array[0]的值： {}", array[0]); // 11
// 先get ,然后再set,返回set之前的数据
log.info("atomicIntegerArray getAndSet ：{}", atomicIntegerArray.getAndSet(0, 33));// 77
log.info("atomicIntegerArray get(0) ：{}", atomicIntegerArray.get(0)); // 33
log.info("array[0] ：{}", array[0]); // 11
}
}
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
原子更新引用类型
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
以AtomicReference为例，来看下用法
Demo
package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicReferenceDemo {
private static AtomicReference<Artisan> atomicReferenceArtisan = new AtomicReference<Artisan>();
public static void main(String[] args) {
Artisan expectedArtisan = new Artisan();
expectedArtisan.setName("小工匠");
expectedArtisan.setAge(20);
// 将expectedArtisan设置到atomicReferenceArtisan
atomicReferenceArtisan.set(expectedArtisan);
Artisan updateArtisan = new Artisan();
updateArtisan.setName("小工匠Update");
updateArtisan.setAge(99);
// compareAndSet方法进行原子更新操作,如果是expectedArtisan，则更新为updateArtisan
boolean mark2 = atomicReferenceArtisan.compareAndSet(new Artisan(), updateArtisan);
log.info("更新是否成功：{}", mark2);// false
boolean mark = atomicReferenceArtisan.compareAndSet(expectedArtisan, updateArtisan);
log.info("更新是否成功：{}", mark); // true
log.info("atomicReferenceArtisan name:{}", atomicReferenceArtisan.get().getName());
log.info("atomicReferenceArtisan age：{}", atomicReferenceArtisan.get().getAge());
}
}
结果
原子更新字段类型
如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类.
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。
使用注意事项：
- 第一：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，并且需要设置想要更新的类和属性
- 第二：更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符
Demo
package com.artisan.example.atomic;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
@Slf4j
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {
// 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<Artisan2> atomicIntegerFieldUpdaterArtisan = AtomicIntegerFieldUpdater
.newUpdater(Artisan2.class, "age");
public static void main(String[] args) {
Artisan2 artisan = new Artisan2();
artisan.setAge(20);
log.info("目前atomicIntegerFieldUpdaterArtisan中age的值为:{}",atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.get(artisan));
if (atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.compareAndSet(artisan, 20, 99)) {
log.info("artisan的age属性的值期望为20，则将20更新为99，更新成功");
}
// 获取artisan更新后的age的值
log.info("目前atomicIntegerFieldUpdaterArtisan中age的值为:{}",atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.get(artisan));
if (atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.compareAndSet(artisan, 20, 99)) {
log.info("artisan的age属性的值期望为20，则将20更新为99，更新成功");
}else {
log.info("artisan的age属性的值期望为20，则将20更新为99，更新失败. 目前age的值为：{}",atomicIntegerFieldUpdaterArtisan.get(artisan));
}
}
}
package com.artisan.example.atomic;
import lombok.Data;
@Data
public class Artisan2 {
String name;
public volatile int age;
}
结果：
原子类线程安全的原理
请参考上篇博客，主要是UnSafe 以及compareAndSwapInt ( CAS). 【JDK8和8以前的实现方式略有不同】
https://blog.csdn.net/yangshangwei/article/details/87489745#incrementAndGetUnSafe__compareAndSwapInt_CAS_54