原子类
原子类
原子是不可分割的最小单位,故原子类可以认为其操作都是不可分割。
一个操作是不可中断的,即便是在多线程情况下也可以保证。
java.uti.concurrent.aomic
包下有很多具有原子特性的类。
原子类 VS 锁
- 粒度更细:原子变量可以把竞争范围缩小到变量级别,这是我们可以获得的最细粒度的情况,锁的粒度通常大于原子类。
- 效率更高:通常,使用原子类的效率会比使用锁的效率更高,除了高度竞争的情况下。
6类原子类纵览
基本类型原子类
以 AtomicInteger 为例,本质是对 Integer 的封装,提供原子的访问和更新操作,其本质是基于 CAS 技术。
AtomicInteger 常用方法
* get() 获取当前的值
* getAndSet() 获取当前的值,并设置新的值
* getAndIncrement() 获取当前的值,并自增
* getAndDecrement() 获取当前的值,并自减
* getAndAdd() 获取当前的值,并加上预期的值
* compareAndSet() 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值(update)
示例:原子类的用法
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* 描述: 演示AtomicInteger的基本用法,对比非原子类的线程安全问题,使用了原子类之后,不需要加锁,也可以保证线程安全。
*/
public class AtomicIntegerDemo1 implements Runnable {
private static final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
private static volatile int basicCount = 0;
public void incrementAtomic() {
atomicInteger.getAndAdd(-90);
//atomicInteger.getAndIncrement();
}
public void incrementBasic() {
basicCount++;
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicIntegerDemo1 r = new AtomicIntegerDemo1();
Thread t1 = new Thread(r);
Thread t2 = new Thread(r);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("原子类的结果:" + atomicInteger.get());
System.out.println("普通变量的结果:" + basicCount);
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
incrementAtomic();
incrementBasic();
}
}
}
原子类的结果:-1800000
普通变量的结果:19663
数组类型原子类
演示原子数组的使用方法
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
/**
* 描述: 演示原子数组的使用方法
*/
public class AtomicArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(1000);
Incrementer incrementer = new Incrementer(atomicIntegerArray);
Decrementer decrementer = new Decrementer(atomicIntegerArray);
Thread[] threadsIncrementer = new Thread[100];
Thread[] threadsDecrementer = new Thread[100];
for (int i = 0; i < 100; i++) {
threadsDecrementer[i] = new Thread(decrementer);
threadsIncrementer[i] = new Thread(incrementer);
threadsDecrementer[i].start();
threadsIncrementer[i].start();
}
// Thread.sleep(10000);
for (int i = 0; i < 100; i++) {
try {
threadsDecrementer[i].join();
threadsIncrementer[i].join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
for (int i = 0; i < atomicIntegerArray.length(); i++) {
//开始是 0,最后也还是 0,找 0 印证是否执行成功
// if (atomicIntegerArray.get(i)!=0) {
// System.out.println("发现了错误"+i);
// }
System.out.println(atomicIntegerArray.get(i));
}
System.out.println("运行结束");
}
}
class Decrementer implements Runnable {
private AtomicIntegerArray array;
public Decrementer(AtomicIntegerArray array) {
this.array = array;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < array.length(); i++) {
array.getAndDecrement(i);
}
}
}
class Incrementer implements Runnable {
private AtomicIntegerArray array;
public Incrementer(AtomicIntegerArray array) {
this.array = array;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < array.length(); i++) {
array.getAndIncrement(i);
}
}
}
引用类型原子类
AtomicReference 可以让一个对象保证原子性,功能比基本类型原子类强一些,因为一个对象中可以包含多个属性。
示例:引用类可以实现自旋锁
/**
* 描述: 自旋锁
*/
public class SpinLock {
//原子引用类(具备CAS能力)
private AtomicReference<Thread> sign = new AtomicReference<>();
/**
* 加锁
*/
public void lock() {
Thread current = Thread.currentThread();
//期待没有人持有锁(null)、让当前线程持有锁(current)
//直到原子引用被赋值为当前的线程之后,才会停止。
while (!sign.compareAndSet(null, current)) {
try {
Thread.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "自旋获取失败,再次尝试");
}
}
/**
* 解锁
*/
public void unlock() {
Thread current = Thread.currentThread();
//期待持有锁的人是current线程,然后清除锁
sign.compareAndSet(current, null);
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
SpinLock spinLock = new SpinLock();
Runnable runnable = new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始尝试获取自旋锁");
spinLock.lock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "获取到了自旋锁");
try {
Thread.sleep(300);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
} finally {
spinLock.unlock();
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "释放了自旋锁");
}
}
};
Thread thread1 = new Thread(runnable);
Thread thread2 = new Thread(runnable);
thread1.start();
Thread.sleep(50);
thread2.start();
}
}
把普通变量升级为具有原子性的变量
AtomicIntegerFieldUpdater 对普通变量进行升级
其背后原理利用的是反射
* 可以范围(public)
* 不支持 static
*
适用场景如下:
- 变量类型不是由我们创建的,无权修改变量类型
- 偶尔需要一个原子 get-set 操作,并不是一直都需要原子操作。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
/**
* 描述: 演示AtomicIntegerFieldUpdater的用法
*/
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo implements Runnable{
static Candidate tom;
static Candidate peter;
//原子类升级:需要引用类型和引用类型的具体操作的属性
public static AtomicIntegerFieldUpdater<Candidate> scoreUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater
.newUpdater(Candidate.class, "score");
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
peter.score++;
scoreUpdater.getAndIncrement(tom);//升级成原子类,操作对象中的属性自增
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
tom=new Candidate();
peter=new Candidate();
AtomicIntegerFieldUpdaterDemo r = new AtomicIntegerFieldUpdaterDemo();
Thread t1 = new Thread(r);
Thread t2 = new Thread(r);
t1.start();
t2.start();
t1.join();
t2.join();
System.out.println("普通变量:"+peter.score);
System.out.println("升级后的结果"+ tom.score);
}
public static class Candidate {
volatile int score;
}
}
普通变量:17517
升级后的结果20000
Adder 累加器
累加器
是 Java 8 引入的,相对是比较新的一个类。
高并发下 LongAdder 比 AtomicLong 效率高(Integer类型也一样),不过本质是空间换时间。
在竞争激烈的时候,LongAdder 把不同线程对应到不同的 Cell 上进行修改,降低了冲突的概率,是多段锁的理念,提高了并发性。
LongAdder 引入了分段累加的概念,内部有一个 base 变量和一个 Cell[] 数组共同参与计数:
base变量:竞争不激烈,直接累加到该变量上。
Cell[]数组:竞争激烈,各个线程分散累加到自己的槽 Cell[i] 中。
sum() 方法不是线程安全的,sum() = base + Cell[]
AtomicLong 和 LongAdder 使用场景
- 在低竞争的情况下,两者差不多,在高竞争的情况下,LongAdder的预期吞吐量要高的多,但要消耗更多的内存(分段锁)。
- LongAdder 适合的场景是统计求和的计数的场景,并且 LongAdder 基本只提供了 add 方法。而 AtomicLong 还具有 cas 方法。
**AtomicLong **
AtomicLong 的实现原理是每一次加法都需要做同步,所以在并发的时候会导致冲突比较多,也就降低了效率。
示例:AtomicLong VS LongAdder
* AtomicLong 的性能在多线程成竞争激烈的情况下,每一次加法,都要 flush 和 refresh,导致很耗费资源。
AtomicLongDemo
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
/**
* 描述: 演示高并发场景下,LongAdder比AtomicLong性能好
*/
public class AtomicLongDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
AtomicLong counter = new AtomicLong(0);
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
service.submit(new Task(counter));
}
service.shutdown();
while (!service.isTerminated()) {
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(counter.get());
System.out.println("AtomicLong耗时:" + (end - start));
}
private static class Task implements Runnable {
private AtomicLong counter;
public Task(AtomicLong counter) {
this.counter = counter;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
counter.incrementAndGet();
}
}
}
}
100000000
AtomicLong耗时:720
LongAdderDemo
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;
/**
* 描述: 演示高并发场景下,LongAdder比AtomicLong性能好
*/
public class LongAdderDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
LongAdder counter = new LongAdder();
ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(20);
long start = System.currentTimeMillis();
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
service.submit(new Task(counter));
}
service.shutdown();
while (!service.isTerminated()) {
}
long end = System.currentTimeMillis();
System.out.println(counter.sum());
System.out.println("LongAdder耗时:" + (end - start));
}
private static class Task implements Runnable {
private LongAdder counter;
public Task(LongAdder counter) {
this.counter = counter;
}
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
counter.increment();
}
}
}
}
100000000
LongAdder耗时:70
Accumulator 累加器
Accumulator 和 Adder 非常相似,Accumulator 就是一个更通用版本的 Adder。
它可以更灵活的书写计算逻辑,适用于大量计算,需要并发计算的场景。前提是:
* 计算顺序不会影响最终计算结果
如果计算逻辑有严格的顺序,那么也不能使用此工具类。
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.atomic.LongAccumulator;
import java.util.stream.IntStream;
/**
* 描述: 演示LongAccumulator的用法
*/
public class LongAccumulatorDemo {
public static void main(String[] args) {
LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator((x, y) -> 2 + x * y, 1);
ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(8);
IntStream.range(1, 10).forEach(i -> executor.submit(() -> accumulator.accumulate(i)));
executor.shutdown();
while (!executor.isTerminated()) {
}
System.out.println(accumulator.getThenReset());
}
}