并发编程（四）：atomic

本篇博客我们主要讲述J.U.C包下的atomic包，在上篇博客“并发模拟”的最后，我们模拟高并发的情形时出现了线程安全问题，怎么解决呢？其实解决的办法有很多中，如直接在add（）方法上加synchronized关键字，还有一种就是用atomic包下的类来解决这个问题，这也是现在比较推荐的一种写法，下面我们给出完整代码：

@Slf4j
public class CountExample2 {

    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    private  static void add() {
        count.incrementAndGet();
//        count.getAndIncrement();
    }

    public static void main(String[] args)throws Exception {

        //定义线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //定义信号量
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        //定义计数器闭锁
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);

        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            executorService.execute(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception",e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}",count.get());
    }
}

输出结果如下：

由输出结果可知，我们已经保证了线程安全（如果对此demo有不解的地方可参考“并发编程（三）”），在这个demo中就是AtomicInteger发挥了作用，下面我们来系统的了解一下atomic包下的类。

atomic包

java8中，在atomic包中一共有17个类，其中有12个类是jdk1.5提供atomic时就有的，5个类是jdk1.8新加的。在原有的12个类中包含四种原子更新方式，分别是原子更新基本类型，原子更新数组，原子更新引用，原子更新字段（下面我会在每种类型中，选择某个类为代表以代码进行演示）

java8新增的5个类分别是Striped64，LongAdder，LongAccumulator，DoubleAdder，DoubleAccumulator，Sriped64作为父类，其余四个类继承此类，分别是long和double的具体实现

原子更新基本类型

通过原子的方式更新基本类型。以AtomicInteger为代表进行演示

AtomicInteger的常用方法如下：

int addAndGet（int delta）：以原子的方式将输入的数值与实例中的值相加，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，并返回自增前的值

void lazySet（int newValue）:最终设置为newValue，使用lazySet设置后，可能导致其他线程在一小段时间内还是可以读到旧的值

int getAndSet（int newValue）：以原子的方式设置为newValue的值，并返回旧值

本篇博客开始的demo就是运用AtomicInteger的例子

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerTest {

    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
    }

}

输出分别为1,2

AtomicLong-demo

@Slf4j
public class AtomicExample2 {

    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static AtomicLong count = new AtomicLong(0);

    private  static void add() {
        //主要为此方法（看源码）
        count.incrementAndGet();
//        count.getAndIncrement();
    }

    public static void main(String[] args)throws Exception {

        //定义线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //定义信号量
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        //定义计数器闭锁
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);

        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            executorService.execute(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception",e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}",count.get());
    }
}

输出为5000，用法与AtomicInteger类似

AtomicBoolean-demo

@Slf4j
public class AtomicExample6 {

    private static AtomicBoolean isHappened = new AtomicBoolean(false);
    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    public static void main(String[] args) throws Exception{

        //定义线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //定义信号量
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        //定义计数器闭锁
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);

        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            executorService.execute(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    test();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception",e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("isHappened:{}",isHappened.get());
    }

    private static void test() {

        //原子性操作，从false变为true只会执行一次
        if (isHappened.compareAndSet(false, true)) {
            log.info("execute");
        }
    }
}

test（）方法中将isHappened从false变为true只会执行一次。

原子更新数组类

通过原子的方式更新数组里的某个元素。我们以AtomicIntegerArray（提供原子的方式更新数组里的整型）为例进行演示，其常用方法如下：

int addAndGet(int i,int delta):以原子的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

AtomicIntegerArray-demo

public class AtomicIntegerArrayTest {

    static int[] value = new int[] { 1, 2 };

    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        System.out.println(ai.get(0));
                System.out.println(value[0]);
    }

}

输出结果分别为3,1 ，为什么value[0]的值为1呢？因为数组value通过构造方法传递进去之后，AtomicIntegerArray会将此数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部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

AtomicReference：原子更新引用类型

AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型的字段

AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型，可以原子的更新一个布尔类型的标记位和引用类型。

AtomicReference-demo1

class AtomicReferenceTest {

    public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args) {

        User user = new User("conan", 15);
        atomicUserRef.set(user);
        User updateUser = new User("xiaoming", 18);
        atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
        System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
    }

    static class User {
        private String name;
        private int old;

        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

输出为：“xiaoming”，18 我们可以结合上篇博客“并发模拟”中，模拟高并发环境，观察原子更新引用类型与非原子更新的区别

AtomicReference-demo2

@Slf4j
public class AtomicExample4 {

    private static AtomicReference<Integer> count = new AtomicReference<>(0);

    public static void main(String[] args) {

        count.compareAndSet(0, 2); //
        count.compareAndSet(0, 1); //no
        count.compareAndSet(1, 3); //no
        count.compareAndSet(2, 4); //
        count.compareAndSet(3, 5);  //no

        log.info("count:{}", count.get());
    }
}

上述代码输出结果为4，因为只有第一句和第二句代码得到执行，具体原因可参考下篇博客cas相关的内容

原子更新字段类

AtomicIntegerFiledUpdater:原子更新整型的字段的更新器

AtomicLongFiledUpdater：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，可原子的更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，原子更新字段类都是抽象类，每次使用都必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器，原子更新类的字段必须使用public volatile修饰，我们以AtomicIntergerFieldUpdater为例进行演示

AtomicIntergerFieldUpdater-demo1

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(User.class, "old");

    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        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;
        }
    }
}

输出为10,11

AtomicIntergerFieldUpdater-demo2

@Slf4j
public class AtomicExample5 {

    //更新某个类的某一字段的值
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<AtomicExample5> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicExample5.class, "count");

    //这个字段必须要用volatile修饰，并且是非static字段才可以
    @Getter
    public volatile int count = 100;

    private static AtomicExample5 example5 = new AtomicExample5();

    public static void main(String[] args) {
        if (updater.compareAndSet(example5,100,120)) {
            log.info("update success 1,{}", example5.getCount());
        }
        if (updater.compareAndSet(example5, 100, 120)) {
            log.info("update success 2,{}", example5.getCount());
        } else {
            log.info("update failed,{}", example5.getCount());
        }
    }
}

输出如下：

我们同样可以发现，“update success 2”没有执行，这也涉及到了cas的基本原理，我会在下篇博客具体介绍

下面我们看一下在atomic包中新增的5个类：

Striped64

Striped64里面维持一个volatile的base，还有一个cell数据，cell数组主要存储线程需要增加或减少的值，它能够将竞争的线程分散到自己内部的私有cell数组里面，所以当并发量很大的时候，线程会被部分分发去访问内部的cell数组。Striped64里面有两个主要的方法longAccumulate和doubleAccumulate，两个方法非常相似。实现的主要思路是如果能通过cas修改base成功，那么直接退出（并发量不大的时候），否则去cells里面占一个非空的空（并发量大的时候），并把要操作的值赋值保存在一个cell里面，这样在并发特别高的时候可能将热点分离

LongAdder

当并发量不高时，LongAdder和AtomicLong性能差不多，但是当并发超过一定限度，cas会频繁失败，对于AtomicLong没有其他解决办法，对于LongAdder则可以通过cells数组来进行部分分流操作。LongAdder使用的思想是热点分离，就是将value值分离成一个数组，当多线程访问时通过hash算法映射到其中一个数字进行计数，最终的结果就是这些数组的求和累加，这样一来减小了锁的粒度。LongAdder一开始不会直接使用cell []存储，而是先使用long类型的base存储，当casBase（）出现失败时，则会创建cell[],如果在单个cell上面出现了cell更新冲突，则会尝试创建新的cell或将cell[]扩容为2倍。 LongAdder中的方法如下：

void add（long x）：增加x

void increment（）：自增1

void decrement()：自减1

long sum（）：求和

void reset（）：重置cell数组

long sumThenReset（）：求和并重置

LongAdder-demo1

@Slf4j
@ThreadSafe
public class AtomicExample3 {

    //请求总数
    public static int clientTotal = 5000;
    //同时并发执行的线程数
    public static int threadTotal = 200;

    //与AtomicLong的区别是，可以将热点分离，在并发特别高的时候可能提高性能，在并发不是特别高的时候可以用atomiclong（序列化生成，全局唯一也可以用这个）（再去查）
    public static LongAdder count = new LongAdder();

    private  static void add() {
        count.increment();
//        count.getAndIncrement();
    }

    public static void main(String[] args)throws Exception {

        //定义线程池
        ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
        //定义信号量
        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
        //定义计数器闭锁
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);

        for (int i = 0; i < clientTotal; i++) {
            executorService.execute(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                } catch (Exception e) {
                    log.error("exception",e);
                }
                countDownLatch.countDown();
            });
        }
        countDownLatch.await();
        executorService.shutdown();
        log.info("count:{}",count);

    }
}

输出为5000，没有出现线程安全问题

LongAccumulator

LongAccumulator是LongAdder的功能增强版，LongAdd的api只是对数值的加减，而LongAccumulator提供了自定义的函数操作

LongAccumulator-demo

public class LongAccumulatorDemo {

    public static void main(String[] args)throws InterruptedException {

        LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator(Long::max, Long.MIN_VALUE);
        Thread[] ts = new Thread[1000];
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts[i] = new Thread(() ->{
                Random random = new Random();
                long value = random.nextLong();
                //比较value和上一次的比较值，存储较大值
                accumulator.accumulate(value);
            });
            ts[i].start();
        }
        //使用join方法，等到所有的线程结束后再执行下面的代码
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts[i].join();
        }
        System.out.println(accumulator.longValue());
    }
}

上述代码作用为accumulate(value)传入的值会与上一次比较值对比，保留较大者

DoubleAdder与DoubleAccumulator

这两个类的实现思路与long类型的实现一致，只是将double转为long类型后运算的。