JDK源码阅读(九):JUC之原子类

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Atomic原子数据

java.util.concurrent 包中atomic包中提供了一组原子变量类。其基本的特性就是在多线程环境下,当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时,具有排他性,即当某个线程进入方法,执行其中的指令时,不会被其他线程打断,而别的线程就像自旋锁一样,一直等到该方法执行完成,才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入,这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的,不会阻塞线程(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。可以对基本数据、数组中的基本数据、对类中的基本数据进行操作。原子变量类相当于一种泛化的volatile变量,能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。

java.util.concurrent.atomic中的类可以分成4组:

标量类(Scalar):AtomicBoolean,AtomicInteger,AtomicLong,AtomicReference

数组类:AtomicIntegerArray,AtomicLongArray,AtomicReferenceArray

更新器类:AtomicLongFieldUpdater,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater

复合变量类:AtomicMarkableReference,AtomicStampedReference

标量类

第一组AtomicBooleanAtomicIntegerAtomicLongAtomicReference这四种基本类型用来处理布尔,整数,长整数,对象四种数据,其内部实现不是简单的使用synchronized,而是一个更为高效的方式CAS (compare and swap) + volatile和native方法,从而避免了synchronized的高开销,执行效率大为提升。

他们的实现都是依靠真正的值为volatile 类型,通过Unsafe 包中的原子操作实现。最基础就是CAS,他是一切的基础。CAS 是一种低级别的、细粒度的技术,它允许多个线程更新一个内存位置,同时能够检测其他线程的冲突并进行恢复。它是许多高性能并发算法的基础。在 JDK 5.0 之前,Java 语言中用于协调线程之间的访问的惟一原语是同步,同步是更重量级和粗粒度的。公开 CAS 可以开发高度可伸缩的并发 Java 类。这些更改主要由 JDK 库类使用,而不是由开发人员使用。CAS操作都封装在java 不公开的类库中,sun.misc.Unsafe。此类包含了对原子操作的封装,具体用本地代码实现。本地的C代码直接利用到了硬件上的原子操作。

原子类的方法都是通过自旋锁操作保证原子性,自旋锁的实现是通过在程序中循环执行CAS操作实现的

数组类

第二组AtomicIntegerArray,AtomicLongArray还有AtomicReferenceArray类进一步扩展了原子操作,对这些类型的数组提供了支持。这些类在为其数组元素提供 volatile 访问语义方面也引人注目,这对于普通数组来说是不受支持的。

他们内部并不是像AtomicInteger一样维持一个valatile变量,而是全部由native方法实现

更新器类

第三组AtomicLongFieldUpdater,AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater基于反射的实用工具,可以对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。API非常简单,但是也是有一些约束:

(1)字段必须是volatile类型的

(2)字段的描述类型(修饰符public/protected/default/private)是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说 调用者能够直接操作对象字段,那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段,子类是不能直接操作的,尽管子类可以访问父类的字段。

(3)只能是实例变量,不能是类变量,也就是说不能加static关键字。

(4)只能是可修改变量,不能使final变量,因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的,这两个关键字不能同时存在。

(5)对于AtomicIntegerFieldUpdater 和AtomicLongFieldUpdater 只能修改int/long类型的字段,不能修改其包装类型(Integer/Long)。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater 。

复合变量类

防止ABA问题出现而构造的类。如什么是ABA问题呢,当某些流程在处理过程中是顺向的,也就是不允许重复处理的情况下,在某些情况下导致一个数据由A变成B,再中间可能经过0-N个环节后变成了A,此时A不允许再变成B了,因为此时的状态已经发生了改变,他们都是对atomicReference的进一步包装,AtomicMarkableReferenceAtomicStampedReference功能差不多,有点区别的是:它描述更加简单的是与否的关系,通常ABA问题只有两种状态,而AtomicStampedReference是多种状态,那么为什么还要有AtomicMarkableReference呢,因为它在处理是与否上面更加具有可读性。

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