线程安全
当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些进程将如何交替执行，并且在主调代码中不需要任何额外的同步或协调，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类时线程安全的。
线程安全主要体现在以下三个方面
- 原子性：提供了互斥访问，同一时刻只能有一个线程对它进行操作
- 可见性：一个线程对主内存的修改可以及时的被其他线程观察到
- 有序性：一个线程观察其他线程中的指令执行顺序，由于指令重排序的存在，该观察结果一般杂乱无序
juc中的atomic包详解
atomic包中提供了很多atomicxxx的类：
它们都是cas（compareandswap）来实现原子性。
先写一个简单示例如下：
@slf4j
public class atomicexample1 {
// 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);
public static void main(string[] args) throws exception {
executorservice executorservice = executors.newcachedthreadpool();
final semaphore semaphore = new semaphore(threadtotal);
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());
}
private static void add() {
count.incrementandget();
}
}
可以发下每次的运行结果总是我们想要的预期结果5000。说明该计数方法是线程安全的。
我们查看下count.incrementandget()方法，它的第一个参数为对象本身，第二个参数为valueoffset是用来记录value本身在内存的编译地址的，这个记录，也主要是为了在更新操作在内存中找到value的位置，方便比较，第三个参数为常量1
public class atomicinteger extends number implements java.io.serializable { private static final long serialversionuid = 6214790243416807050l; // setup to use unsafe.compareandswapint for updates private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe(); private static final long valueoffset; static { try { valueoffset = unsafe.objectfieldoffset (atomicinteger.class.getdeclaredfield("value")); } catch (exception ex) { throw new error(ex); } } private volatile int value; ... 此处省略多个方法... /** * atomically increments by one the current value. * * @return the updated value */ public final int incrementandget() { return unsafe.getandaddint(this, valueoffset, 1) + 1; } }
atomicinteger源码里使用了一个unsafe的类,它提供了一个getandaddint的方法，我们继续点看查看它的源码：
public final class unsafe {
private static final unsafe theunsafe;
....此处省略很多方法及成员变量....
public final int getandaddint(object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getintvolatile(var1, var2);
} while(!this.compareandswapint(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
public final native boolean compareandswapint(object var1, long var2, int var4, int var5);
public native int getintvolatile(object var1, long var2);
}
可以看到这里使用了一个do while语句来做主体实现的。而在while语句里它的核心是调用了一个compareandswapint()的方法。它是一个native方法，它是一个底层的方法，不是使用java来实现的。
假设我们要执行0+1=0的操作，下面是单线程情况下各参数的值：
更新后：
compareandswapint()方法的第一个参数（var1）是当前的对象，就是代码示例中的count。此时它的值为0（期望值）。第二个值（var2）是传递的valueoffset值，它的值为12。第三个参数（var4）就为常量1。方法中的变量参数（var5）是根据参数一和参数二valueoffset，调用底层getintvolatile方法得到的值，此时它的值为0 。compareandswapint()想要达到的目标是对于count这个对象，如果当前的期望值var1里的value跟底层的返回的值（var5）相同的话，那么把它更新成var5+var4这个值。不同的话重新循环取期望值（var5）直至当前值与期望值相同才做更新。compareandswap方法的核心也就是我们通常所说的cas。
atomic包下其他的类如atomiclong等的实现原理基本与上述一样。
这里再介绍下longadder这个类，通过上述的分析，我们已经知道了atomiclong使用cas：在一个死循环内不断尝试修改目标值直到修改成功。如果在竞争不激烈的情况下，它修改成功概率很高。反之，如果在竞争激烈的情况下，修改失败的概率会很高，它就会进行多次的循环尝试，因此性能会受到一些影响。
对于普通类型的long和double变量，jvm允许将64位的读操作或写操作拆成两个32位的操作。longadder的核心思想是将热点数据分离，它可以将atomiclong内部核心数据value分离成一个数组，每个线程访问时通过hash等算法映射到其中一个数字进行计数。而最终的计数结果则为这个数组的求和累加，其中热点数据value，它会被分离成多个单元的cell，每个cell独自维护内部的值,当前对象的实际值由所有的cell累计合成。这样,热点就进行了有效的分离,提高了并行度。longadder相当于在atomiclong的基础上将单点的更新压力分散到各个节点上，在低并发的时候对base的直接更新可以很好的保障跟atomic的性能基本一致。而在高并发的时候，通过分散提高了性能。但是如果在统计的时候有并发更新，可能会导致统计的数据有误差。
在实际高并发计数的时候，可以优先使用longadder。在低并行度或者需要准确数值的时候可以优先使用atomiclong，这样反而效率更高。
下面简单的演示下atomic包下atomicreference简单的用法：
@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);
log.info("count:{}", count.get());
}
}
compareandset()分别传入的是预期值跟更新值，只有当预期值跟当前值相等时，才会将值更新为更新值；
上面的第一个方法可以将值更新为2，而第二个步中无法将值更新为1。
下面简单介绍下atomicintegerfieldupdater 用法（利用原子性去更新某个类的实例）：
@slf4j
public class atomicexample5 {
private static atomicintegerfieldupdater<atomicexample5> updater =
atomicintegerfieldupdater.newupdater(atomicexample5.class, "count");
@getter
private volatile int count = 100;
public static void main(string[] args) {
atomicexample5 example5 = new atomicexample5();
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());
}
}
}
它可以更新某个类中指定成员变量的值。
注意：修改的成员变量需要用volatile关键字来修饰，并且不能是static描述的字段。
atomicstampreference这个类它的核心是要解决cas的aba问题（cas操作的时候，其他线程将变量的值a改成了b，接着又改回了a，等线程使用期望值a与当前变量进行比较的时候，发现a变量没有变，于是cas就将a值进行了交换操作。
实际上该值已经被其他线程改变过）。
aba问题的解决思路就是每次变量变更的时候，就将版本号加一。
看一下它的一个核心方法compareandset()：
public class atomicstampedreference<v> {
private static class pair<t> {
final t reference;
final int stamp;
private pair(t reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <t> pair<t> of(t reference, int stamp) {
return new pair<t>(reference, stamp);
}
}
... 此处省略多个方法 ....
public boolean compareandset(v expectedreference,
v newreference,
int expectedstamp,
int newstamp) {
pair<v> current = pair;
return
expectedreference == current.reference &&
expectedstamp == current.stamp &&
((newreference == current.reference &&
newstamp == current.stamp) ||
caspair(current, pair.of(newreference, newstamp)));
}
}
可以看到它多了一个stamp的比较，stamp的值是由每次更新的时候进行维护的。
再介绍下atomiclongarray，它维护了一个数组。在该数组下，我们可以选择性的已原子性操作更新某个索引对应的值。
public class atomiclongarray implements java.io.serializable {
private static final long serialversionuid = -2308431214976778248l;
private static final unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();
...此处省略....
/**
* atomically sets the element at position {@code i} to the given value
* and returns the old value.
*
* @param i the index
* @param newvalue the new value
* @return the previous value
*/
public final long getandset(int i, long newvalue) {
return unsafe.getandsetlong(array, checkedbyteoffset(i), newvalue);
}
/**
* atomically sets the element at position {@code i} to the given
* updated value if the current value {@code ==} the expected value.
*
* @param i the index
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return {@code true} if successful. false return indicates that
* the actual value was not equal to the expected value.
*/
public final boolean compareandset(int i, long expect, long update) {
return compareandsetraw(checkedbyteoffset(i), expect, update);
}
}
最后再写一个atomcboolean的简单使用：
@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 {
executorservice executorservice = executors.newcachedthreadpool();
final semaphore semaphore = new semaphore(threadtotal);
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() {
if (ishappened.compareandset(false, true)) {
log.info("execute");
}
}
}
总结
以上就是atomic包的基本原理及主要的使用方法。它是使用cas来保证原子性操作，从而达到线程安全的目的。
仅为个人经验，希望能给大家一个参考，也希望大家多多支持。
