【JUC系列-03】熟练掌握Atomic原子系列基本使用

红太狼 2024-03-24 22:48 23阅读 0赞

JUC系列整体栏目

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  <tr> 
   <th align="left">内容</th> 
   <th>链接地址</th> 
  </tr> 
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 <tbody> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【一】深入理解JMM内存模型的底层实现原理</font></td> 
   <td><a href="https://zhenghuisheng.blog.csdn.net/article/details/132400429" rel="nofollow">https://zhenghuisheng.blog.csdn.net/article/details/132400429</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【二】深入理解CAS底层原理和基本使用</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132478786" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132478786</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【三】熟练掌握Atomic原子系列基本使用</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132543379" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132543379</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【四】精通Synchronized底层的实现原理</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132740980" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132740980</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【五】通过源码分析AQS和ReentrantLock的底层原理</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132857564" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132857564</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【六】深入理解Semaphore底层原理和基本使用</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132908068" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/132908068</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【七】深入理解CountDownLatch底层原理和基本使用</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/133343440" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/133343440</a></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td align="left"><font>【八】深入理解CyclicBarrier底层原理和基本使用</font></td> 
   <td><a href="https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/133378623" rel="nofollow">https://blog.csdn.net/zhenghuishengq/article/details/133378623</a></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
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#### 熟练掌握Atomic原子系列基本使用 ####

*  一，深入理解atomic原子系列基本操作
 *   *  1，初识atomic原子系列
     *  2，CAS的方式实现atomic原子类的底层
     *  3，五种数据类型的基本使用
     *   *  3.1，基本数据类型
         *  3.2，数组数据类型
         *  3.3，引用数据类型
         *  3.4，对象属性修改器
         *  3.5，原子类型累加器（重点）

## 一，深入理解atomic原子系列基本操作 ##

### 1，初识atomic原子系列 ###

在jvm单进程中，往往会涉及到在多线程下一些关于数据的增加的问题，如典型的数据类加问题，通常情况是可以直接采用悲观锁 **synchronized** 关键字来实现的，但是由于悲观锁需要涉及到用户态到内核态直接的切换，会严重的影响该场景下的性能问题，因此在后面，通过cas底层实现的atomic算法就此而生。

在java.util.concurrent下面有一个atomic的原子包，里面有着多个关于atomic的原子实现类，atomic主要能实现的数据类型可以归纳为五种：**基本数据类型、引用数据类型、数组数据类型、对象属性修改器、原子类型累加器**

![在这里插入图片描述][ac9d8e3c3b034888bb0c36be607b3565.png]

### 2，CAS的方式实现atomic原子类的底层 ###

在上一篇中，谈到了cas的底层实现，主要是通过内部自旋加调用硬件层面的指令来实现数据的原子性，通过`cmpxchg` 指令来实现比较和交换的操作，从而实现总线加锁，并通过一个 \#lock 前缀指令来实现storeLoad内存屏障的功能，从而解决在多线程中共享变量的可见性、原子性和有序性

在atomic中，其底层实现就是通过cas的原理来实现的，由于cas的缺点之一就是只能操作一个变量，atomic原子包的主要思想就是对单个变量进行操作，因此atomic采用cas作为底层实现最好不过，并且可以减少用户态到内核态之间的切换，在一定的数据范围内，其效率是远远高于这个synchronized这些锁的

如初始化一个 **AtomicInteger** 原子类，如下

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

接下来对这个类进行一个自增的操作，就是调用其 **incrementAndGet** 方法

//先自增，再将值放回
    atomicInteger.incrementAndGet()

其底层的实现如下，会通过一个unsafe类的一个实例，unsafe类就是介于java类和硬件层面打交道的类

public final int incrementAndGet() {
        
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

随后再查看这个unsafe类调用的这个 **getAndAddInt** 方法，很明显，这个方法就是比较和交换的底层实现

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        
        int var5;
        do {
        
            //var5 工作内存中的初始值，就是旧值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            //var1 当前值所占的字节数      var2 offset偏移量
            //var5 + var4 累加完的值
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
        //最终返回的是工作内存的初始值。因此需要在外面再+1
        return var5;
    }

而最终调用这个 **native** 本地方法栈中的 **compareAndSwapInt** 方法，再去调用底层的硬件实现比较和交换的操作。在本人上一篇cas的文章中，有着更为详细的描述。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1,long var2,int var4,int var5);

### 3，五种数据类型的基本使用 ###

#### 3.1，基本数据类型 ####

基本数据类型主要有：**AtomicInteger、AtomicBoolean、AtomicLong** 这三种，以AtomicInteger来举例，其用法主要如下

//初始化 AtomicInteger 对象
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

在这个AtomicInteger类中，里面可以使用的方法主要如下图，如一些getAndAdd，addAndGet，getAndIncrement，getAndDecrement，incrementAndGet，deCrementAndGet等等。都会涉及到是先自增在获取值还是先获取值再自增的操作

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-ikbbfrI2-1693214340918)(img/1693187864610.png)\]][img-ikbbfrI2-1693214340918_img_1693187864610.png]

相关的AtomicInteger类的api的使用命令如下

/**
     * @author zhenghuisheng
     * @date : 2023/8/28
     */
    public class AtomicIntegerTest {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //初始化 AtomicInteger 对象
            AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
            System.out.println("先获取再自增：" + atomicInteger.getAndIncrement());
            System.out.println("先自增再获取：" + atomicInteger.incrementAndGet());
            System.out.println("比较和交换值：" + atomicInteger.compareAndSet(2, 10));
            System.out.println("读取当前值为：" + atomicInteger.get());
            System.out.println(atomicInteger.intValue());
            System.out.println("先自增再获取：" + atomicInteger.addAndGet(10));
            atomicInteger.set(5);
            System.out.println("读取当前值为：" + atomicInteger.get());
            // lazySet在多线程的场景下不能保证缓存立马被刷新
            atomicInteger.lazySet(10);
            System.out.println("读取当前值为：" + atomicInteger.get());
        }
    }

#### 3.2，数组数据类型 ####

数组数据类型主要有：**AtomicIntegerArray、AtomicReferenceArray、AtomicLongArray**这三种数据类型

接下来再以这个 **AtomicIntegerArray** 为例，首先先创建一个AtomicIntegerArray对象和一个整型数组

int[] currentData = {
        1,2,3,4};
    AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(currentData);

在这个 **AtomicIntegerArray** 类的构造方法中，会克隆出一个新的数组，所以在获取数据得调用get方法

public AtomicIntegerArray(int[] array) {
        
        // Visibility guaranteed by final field guarantees
        this.array = array.clone();
    }

通过下图可知 **AtomicIntegerArray** 的方法其实和AtomicInteger的类似，只是操作的对象不同

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-5EAu5ID9-1693214340918)(img/1693202518345.png)\]][img-5EAu5ID9-1693214340918_img_1693202518345.png]

相关AtomicIntegerArray类的api的使用如下

public class AtomicIntegerArrayTest {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            //定义一个数组
            int[] currentData = {
        1,2,3,4};
            AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(currentData);
            System.out.println("获取数组下标为1的值：" + atomicIntegerArray.get(1));
            System.out.println("获取数组下标为2的值：" + atomicIntegerArray.incrementAndGet(2));
            //比较和交换
            System.out.println(atomicIntegerArray.compareAndSet(3, 4, 5));
            System.out.println(atomicIntegerArray.get(3));
            //先累加，再将值放回
            System.out.println(atomicIntegerArray.addAndGet(1, 10));
            //在多线程中不会立即刷新缓存，不能保证可见性
            atomicIntegerArray.lazySet(2,10);
            System.out.println(atomicIntegerArray.get(2));
        }
    }

#### 3.3，引用数据类型 ####

引用数据类型的主要有：**AtomicReference、AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference**类，

接下来依旧以这个AtomicReference类作为实例，先创建一个 **AtomicReference**类实例

//原子类
    AtomicReference<Student> objectAtomicReference = new AtomicReference<>();

Student类比较简单，只有两个属性，分别是name和age

class Student{
        
        String name;
        int age;
        public Student(String name,int age){
        
            this.name = name;
            this.age = age;
        }
    }

在使用这个类之前，先查看一下这个类里面有哪些方法，以及变量等

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-VZGSQ5MR-1693214340919)(img/1693206590488.png)\]][img-VZGSQ5MR-1693214340919_img_1693206590488.png]

接下来详细的描述一下该类的具体是如何使用的

public static void main(String[] args) {
        
    	//原子类
    	AtomicReference < Student > objectAtomicReference = new AtomicReference < > ();
    	Student stu1 = new Student("zhenghuisheng", 18);
    	Student stu2 = new Student("zhansan", 22);
    	//设置值
    	objectAtomicReference.set(stu1);
    	System.out.println(objectAtomicReference.get().name + "---" + objectAtomicReference.get().age);
    	//比较和交换
    	System.out.println(objectAtomicReference.compareAndSet(stu1, stu2));
    	//获取值
    	System.out.println(objectAtomicReference.get().name + "---" + objectAtomicReference.get().age);
    
    }

#### 3.4，对象属性修改器 ####

对象属性修改器主要有：**AtomicIntegerFieldUpdater**、**AtomicLongFieldUpdater**、**AtomicReferencrFieldUpdater** 这三个类

以AtomicIntegerFieldUpdater为例子，依旧使用上面那个Student类，接下来创建一个AtomicIntegerFieldUpdater的对象，随后对这个对象里面的属性值age进行操作

//初始化 AtomicIntegerFieldUpdater 对象
    static AtomicIntegerFieldUpdater<Student> atomicIntegerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "age");
    public static void main(String[] args) {
        
        //初始化对象
        Student stu1 = new Student("zhenghuisheng", 18);
        atomicIntegerFieldUpdater.set(stu1,18);
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.get(stu1));
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.addAndGet(stu1, 10));
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.incrementAndGet(stu1));
    }

#### 3.5，原子类型累加器（重点） ####

原子类型累加器主要有以下五种类型，分别是：**Striped64、DoubleAccumulator、LongAccumulator、LongAdder、DoubleAdder**，这种类型的数据是在jdk1.8之后才新增的类。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-IMIG3Awa-1693214340920)(img/1693208753361.png)\]][img-IMIG3Awa-1693214340920_img_1693208753361.png]

由于atomic底层是通过这个cas实现的，但是cas也存在着一个缺陷，就是不利于在并发量很大的场景下使用，因为自旋会随着大量的比较和交换耗废大量的cpu资源，但是在jdk8开始，就引入了一个重要的算法：**写热点分散**。

cas主要是单线程执行，因此为了解决这个问题，就可以将一个大的累加操作，拆分成多个小的累加操作，最后再进行汇总累加，这样解决出现在高并发的场景下。总而言之就是先分再合的思想。

举一个简单的例子，假设此时有10000个线程需要进行类加操作，那么这10000个线程就得不断的进行自旋，进行比较和交换的操作，由于底层保证了原子性，因此可以看成就是一个线程执行；现在优化思路就是，将这10000次的类加，拆分成10个数组，每个线程只需要对应一个下标，每个数组的值进行类加，只需要累加1000次，最后进行汇总即可，数据量越大的情况，耗费的时间越短，占用的cpu资源越少。

接下来以这个 **LongAdder** 为例，首先先实例化一个longAdder对象，随后进行一个自增的操作

LongAdder longAdder = new LongAdder();
    // 自增操作
    longAdder.increment();

随后查看这个 **increment** 方法的底层源码，其内部会调用一个add方法，内部会进行比较交互操作

public void add(long x) {
        
        Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
        if ((as = cells) != null || !casBase(b = base, b + x)) {
        
            boolean uncontended = true;
            if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
                //求余操作，判断会进入哪个槽位
                (a = as[getProbe() & m]) == null ||
                //自旋，比较和交换的操作
                !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x)))
                //计算
                longAccumulate(x, null, uncontended);
        }
    }

随后通过调用 **longAccumulate** 方法，对这些值进行计算的操作，计算的方法如下，内部会涉及到的一些变量也快给列了出来

//处理器的个数，inter中一个cpu对应两个处理器
    static final int NCPU = Runtime.getRuntime().availableProcessors();
    //拆分数组
    transient volatile Cell[] cells;
    //如果不存在竞争，则直接在这个比那里上面累加
    transient volatile long base;
    //加锁的标记
    transient volatile int cellsBusy;

接下来直接看这个longAccumulate方法吧，有点复杂，我直接把图片贴出来了…(头痛)，感兴趣的大大大佬可以自行研究一下。

![\[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-xzHiWfqE-1693214340920)(img/1693212919552.png)\]][img-xzHiWfqE-1693214340920_img_1693212919552.png]

LongAdder设计的精妙之处：**减少热点冲突，尽量将CAS操作延迟**

[ac9d8e3c3b034888bb0c36be607b3565.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/13/26f44835029f472faa5774f5ae84d989.png
[img-ikbbfrI2-1693214340918_img_1693187864610.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/13/b1d54fe1b979419b91c3e9bfc9b6913b.png
[img-5EAu5ID9-1693214340918_img_1693202518345.png]: https://image.dandelioncloud.cn/pgy_files/images/2024/03/13/48ec0cef0fcd475f93d6c01e450ba20a.png
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