Java多线程进阶—— J.U.C之atomic框架：FieldUpdater

缺乏、安全感 2023-06-22 02:27 2阅读 0赞

## 一、什么是FieldUpdater ##

在`java.util.concurrent.atomic`包中，由三个比较特殊的原子类：`AtomicIntegerFieldUpdater`、`AtomicLongFieldUpdater`、`AtomicReferenceFieldUpdater`。  
通过名称可以看到，这几类的功能大致相同，只是针对的类型有所不同。

所谓**AtomicXXXFieldUpdater**，就是可以**以一种线程安全的方式操作非线程安全对象的某些字段**。光这么说有点难理解，我们通过一个例子来看下。

> 假设有一个公司账户Account，100个人同时往里面存钱1块钱，那么正常情况下，最终账户的总金额应该是100。

先来看下线程不安全的方式：

***账户类：***

class Account {
        private volatile int money;
    
        Account(int initial) {
            this.money = initial;
        }
    
        public void increMoney() {
            money++;
        }
    
        public int getMoney() {
            return money;
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            return "Account{" +
                "money=" + money +
                '}';
        }
    }

***调用类：***

public class FieldUpdaterTest {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Account account = new Account(0);  // 初始金额0
    
            List<Thread> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                Thread t = new Thread(new Task(account));
                list.add(t);
                t.start();
            }
    
            for (Thread t : list) {            // 等待所有线程执行完成
                t.join();
            }
    
            System.out.println(account.toString());
        }
    
    
        private static class Task implements Runnable {
            private Account account;
    
            Task(Account account) {
                this.account = account;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                account.increMoney();         // 增加账户金额
            }
        }
    }

上述未对**Account**做并发控制，**最终账户金额很可能小于100**。  
按照之前学习的atomic框架，可以将**Account**类的**int**类型字段改为**AtomicInteger**，或者在**Task**任务类中，将所有涉及到共享变量的地方都加锁访问。

**那么，还有没有其它解决方式？**

本章开头我们讲到，**AtomicXXXFieldUpdater**可以**以一种线程安全的方式操作非线程安全对象的某些字段**。  
这里，**Account**就是非线程安全对象，**money**就是需要操作的字段。

我们来对上述代码进行改造：  
***账户类Account改造：***

class Account {
        private volatile int money;
        private static final AtomicIntegerFieldUpdater<Account> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Account.class, "money");  // 引入AtomicIntegerFieldUpdater
    
        Account(int initial) {
            this.money = initial;
        }
    
        public void increMoney() {
            updater.incrementAndGet(this);    // 通过AtomicIntegerFieldUpdater操作字段
        }
    
        public int getMoney() {
            return money;
        }
    
        @Override
        public String toString() {
            return "Account{" +
                "money=" + money +
                '}';
        }
    }

***调用方，并未做任何改变：***

public class FieldUpdaterTest {
        public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
            Account account = new Account(0);
    
            List<Thread> list = new ArrayList<>();
            for (int i = 0; i < 100; i++) {
                Thread t = new Thread(new Task(account));
                list.add(t);
                t.start();
            }
    
            for (Thread t : list) {
                t.join();
            }
    
            System.out.println(account.toString());
        }
    
        private static class Task implements Runnable {
            private Account account;
    
            Task(Account account) {
                this.account = account;
            }
    
            @Override
            public void run() {
                account.increMoney();
            }
        }
    }

上述代码，无论执行多少次，最终结果都是“100”，因为这回是线程安全的。

对比下改造，可以发现，**AtomicIntegerFiledUpdater**的引入，使得我们可以在***不修改用户代码（调用方）的情况下，就能实现并发安全性***。

唯一的改变之处就是Account内部的改造：

![clipboard.png][]

这也是**AtomicXXXFieldUpdater**引入的一个重要原因，单纯从功能上来讲，能用**AtomicXXXFieldUpdater**实现的并发控制，同步器和其它原子类都能实现，但是使用**AtomicXXXFieldUpdater**，符合面向对象设计的一个基本原则——开闭原则，尤其是对一些遗留代码的改造上。

另外，使用**AtomicXXXFieldUpdater**，不需要进行任何同步处理，单纯的使用CAS+自旋操作就可以实现同步的效果。这也是整个atomic包的设计理念之一。

## 二、AtomicReferenceFieldUpdater原理 ##

`AtomicIntegerFieldUpdater`、`AtomicLongFieldUpdater`、`AtomicReferenceFieldUpdater`这三个类大同小异，**AtomicIntegerFieldUpdater**只能处理**int**原始类型的字段，**AtomicLongFieldUpdater**只能处理long原始类型的字段，**AtomicReferenceFieldUpdater**可以处理所有引用类型的字段。

本节以**AtomicReferenceFieldUpdater**为例，介绍下FiledUpdater的基本原理。

### AtomicReferenceFieldUpdater对象的创建 ###

AtomicReferenceFieldUpdater本身是一个抽象类，没有公开的构造器，只能通过静态方法**newUpdater**创建一个

AtomicReferenceFieldUpdaterImpl子类对象：

![clipboard.png][clipboard.png 1]

newUpdater的三个入参含义如下：

<table> 
 <thead> 
  <tr> 
   <th>入参名称</th> 
   <th>含义</th> 
  </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>tclass</td> 
   <td>目标对象的类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>vclass</td> 
   <td>目标字段的类型</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>fieldName</td> 
   <td>目标字段名</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**AtomicReferenceFieldUpdaterImpl**是AtomicReferenceFieldUpdater的一个内部类，并继承了AtomicReferenceFieldUpdater。AtomicReferenceFieldUpdater的API，基本都是委托AtomicReferenceFieldUpdaterImpl 来实现的。

来看下**AtomicReferenceFieldUpdaterImpl** 对象的构造，其实就是一系列的权限检查：

![clipboard.png][clipboard.png 2]

通过源码，可以看到**AtomicReferenceFieldUpdater**的使用必须满足以下条件：

1.  AtomicReferenceFieldUpdater只能修改对于它可见的字段，也就是说对于目标类的某个字段field，如果修饰符是private，但是AtomicReferenceFieldUpdater所在的使用类不能看到field，那就会报错；
2.  目标类的操作字段，必须用volatile修饰；
3.  目标类的操作字段，不能是static的；
4.  AtomicReferenceFieldUpdater只适用于引用类型的字段；

### AtomicReferenceFieldUpdater的方法原理 ###

AtomicReferenceFieldUpdater中所有的方法都是基于**Unsafe**类操作，看下最常用的方法

**compareAndSet**：

![clipboard.png][clipboard.png 3]

通过偏移量**offset**获取字段的地址，然后利用Unsafe进行CAS更新。

其它方法也大同小异，读者可以参考Oracle官方文档和JDK源码。

### AtomicReferenceFieldUpdater接口声明 ###

![clipboard.png][clipboard.png 4]

[clipboard.png]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlSTd6?x-oss-process=image/format,png
[clipboard.png 1]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlSTht?x-oss-process=image/format,png
[clipboard.png 2]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlSTlr?x-oss-process=image/format,png
[clipboard.png 3]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlSTl4?x-oss-process=image/format,png
[clipboard.png 4]: https://imgconvert.csdnimg.cn/aHR0cHM6Ly9zZWdtZW50ZmF1bHQuY29tL2ltZy9iVmJlSmlH?x-oss-process=image/format,png