Java中的AtomicMarkableReference：解决并发中对象引用标记的布尔状态问题

Java并发编程中的AtomicMarkableReference：原子性地管理对象引用与布尔标记

大家好，今天我们要深入探讨Java并发编程中一个重要的工具类：AtomicMarkableReference。在高并发环境下，对共享对象进行操作需要格外小心，以避免数据竞争和不一致性。AtomicMarkableReference提供了一种原子性的方式来管理对象引用，同时维护一个与之关联的布尔标记。这在某些特定的并发场景下非常有用，可以简化代码逻辑并提高性能。

1. AtomicMarkableReference 的基本概念

AtomicMarkableReference 类位于 java.util.concurrent.atomic 包中，它的核心作用是提供一个原子性的方式来更新对象引用以及一个布尔类型的标记。 可以将其想象成一个包含两部分的原子单元：

• 对象引用 (Reference)：指向堆内存中的一个对象。

• 布尔标记 (Mark)：一个简单的 boolean 值，用于表示某种状态或条件。

这两个部分作为一个整体进行原子性更新，这意味着在更新对象引用的同时，可以原子性地更新布尔标记。这避免了在多线程环境下，对象引用和标记状态不一致的问题。

适用场景

AtomicMarkableReference 主要用于解决以下场景：

• 逻辑删除/标记删除： 当需要删除一个对象，但又不希望立即将其从数据结构中移除时，可以使用布尔标记来表示该对象已被逻辑删除。其他线程可以通过检查标记来判断该对象是否有效。

• 状态跟踪： 布尔标记可以用来跟踪对象的状态变化，例如，对象是否已被处理、是否已被验证等。

• 优化并发算法： 在某些复杂的并发算法中，需要同时更新对象引用和某个状态标志，AtomicMarkableReference 可以简化代码并提高效率。

2. AtomicMarkableReference 的核心方法

AtomicMarkableReference 提供了以下核心方法：

方法	描述
AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)	构造函数，创建一个新的 AtomicMarkableReference 实例，并指定初始对象引用和初始布尔标记。
V getReference()	获取当前的对象引用。
boolean isMarked()	获取当前的布尔标记。
V get(boolean[] markHolder)	获取当前的对象引用，并将当前的布尔标记存储到 markHolder 数组的第一个元素中。
boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark)	原子性地比较当前对象引用和布尔标记与期望值，如果两者都匹配，则更新为新的对象引用和布尔标记。返回 true 如果更新成功，否则返回 false。
boolean attemptMark(V expectedReference, boolean newMark)	尝试原子性地将当前对象引用与期望值进行比较，如果匹配，则更新布尔标记。此方法可能偶尔失败，即使当前值与期望值匹配。通常需要在循环中重试。
void set(V newReference, boolean newMark)	无条件地设置新的对象引用和布尔标记。请谨慎使用此方法，因为它不保证原子性，可能导致数据竞争。

3. 代码示例与解析

下面我们通过几个代码示例来演示 AtomicMarkableReference 的使用方法：

示例 1：逻辑删除

假设我们有一个共享的 Node 链表，我们需要实现一个逻辑删除操作。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

class Node {
    int data;
    Node next;

    public Node(int data) {
        this.data = data;
    }
}

public class LogicalDeleteExample {

    private static AtomicMarkableReference<Node> head = new AtomicMarkableReference<>(new Node(1), false);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 创建一个节点并插入到链表头部
        Node newNode = new Node(2);
        newNode.next = head.getReference();
        head.compareAndSet(head.getReference(), newNode, false, false);

        // 尝试删除节点1
        Node nodeToDelete = head.getReference().next;
        boolean marked = head.compareAndSet(nodeToDelete, nodeToDelete, false, true);

        if (marked) {
            System.out.println("Node 1 marked for deletion.");
        } else {
            System.out.println("Failed to mark Node 1 for deletion.");
        }

        // 检查节点1是否被标记删除
        boolean[] markHolder = new boolean[1];
        Node currentHead = head.get(markHolder);
        if (currentHead.next != null && markHolder[0]) {
            System.out.println("Node 1 is logically deleted.");
        } else {
            System.out.println("Node 1 is not logically deleted.");
        }
    }
}

代码解析:

1. AtomicMarkableReference<Node> head: 创建一个 AtomicMarkableReference 实例，用于指向链表的头部节点。初始对象引用指向一个值为 1 的 Node 对象，初始布尔标记为 false，表示该节点未被删除。

2. 插入新节点: 使用 compareAndSet 方法原子性地将新节点插入到链表的头部。 compareAndSet 方法确保只有当当前 head 的引用和标记与期望值匹配时，才会进行更新。

3. 逻辑删除: 使用 compareAndSet 方法尝试将节点 1 （head.getReference().next）的布尔标记设置为 true，表示该节点已被逻辑删除。

4. 检查删除状态: 使用 get(boolean[] markHolder) 方法获取当前的 head 节点，并将布尔标记存储到 markHolder 数组中。然后，检查 markHolder[0] 的值，以判断节点 1 是否已被逻辑删除。

示例 2：状态跟踪

假设我们需要跟踪一个任务的状态，使用 AtomicMarkableReference 来原子性地更新任务对象和状态标记。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

class Task {
    String name;
    public Task(String name) {
        this.name = name;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return "Task{" +
                "name='" + name + ''' +
                '}';
    }
}

public class StatusTrackingExample {

    private static AtomicMarkableReference<Task> taskRef = new AtomicMarkableReference<>(new Task("Initial Task"), false);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 模拟任务执行过程
        Task currentTask = taskRef.getReference();
        System.out.println("Starting task: " + currentTask);

        // 任务执行完毕，更新任务对象和状态标记
        Task completedTask = new Task("Completed Task");
        boolean updated = taskRef.compareAndSet(currentTask, completedTask, false, true);

        if (updated) {
            System.out.println("Task updated successfully.");
        } else {
            System.out.println("Task update failed.");
        }

        // 检查任务状态
        boolean[] markHolder = new boolean[1];
        Task latestTask = taskRef.get(markHolder);
        System.out.println("Latest task: " + latestTask);
        System.out.println("Task completed: " + markHolder[0]);
    }
}

代码解析：

1. AtomicMarkableReference<Task> taskRef: 创建一个 AtomicMarkableReference 实例，用于指向 Task 对象。初始对象引用指向一个名为 "Initial Task" 的 Task 对象，初始布尔标记为 false，表示任务未完成。

2. 更新任务状态: 使用 compareAndSet 方法原子性地更新 Task 对象和状态标记。将 Task 对象更新为 "Completed Task"，并将布尔标记设置为 true，表示任务已完成。

3. 检查任务状态: 使用 get(boolean[] markHolder) 方法获取最新的 Task 对象，并将布尔标记存储到 markHolder 数组中。然后，打印最新的 Task 对象和任务完成状态。

4. compareAndSet 方法详解

compareAndSet(V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark) 是 AtomicMarkableReference 中最重要的方法。它执行以下操作：

1. 比较: 原子性地比较当前对象引用和布尔标记与期望值 expectedReference 和 expectedMark。

2. 更新: 如果比较结果相等，则原子性地将对象引用更新为 newReference，并将布尔标记更新为 newMark。

3. 返回: 如果更新成功，则返回 true；否则，返回 false。

重要性

compareAndSet 方法是实现无锁并发算法的关键。它允许线程在不使用锁的情况下，原子性地更新共享状态。

使用注意事项

• compareAndSet 方法可能失败，即使当前值与期望值匹配。这可能是由于其他线程同时修改了该值。因此，通常需要在循环中重试 compareAndSet 操作，直到更新成功。

• 在使用 compareAndSet 方法时，需要仔细考虑期望值和新值的选择，以确保算法的正确性。

5. attemptMark 方法的补充说明

attemptMark(V expectedReference, boolean newMark) 也是用于更新布尔标记的方法，但与 compareAndSet 相比，它具有以下特点：

• 只更新标记: attemptMark 方法只尝试更新布尔标记，而不更新对象引用。
• 可能失败: attemptMark 方法可能偶尔失败，即使当前对象引用与期望值 expectedReference 匹配。
• 适用场景: attemptMark 方法适用于只需要更新标记，而不需要更新对象引用的场景。

使用场景示例

假设我们需要在不改变对象引用的情况下，将某个对象的 "已验证" 状态设置为 true。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

public class AttemptMarkExample {

    private static AtomicMarkableReference<Object> objRef = new AtomicMarkableReference<>(new Object(), false);

    public static void main(String[] args) {
        Object currentObj = objRef.getReference();
        boolean marked = objRef.attemptMark(currentObj, true);

        if (marked) {
            System.out.println("Object marked successfully.");
        } else {
            System.out.println("Failed to mark object.");
        }

        boolean[] markHolder = new boolean[1];
        objRef.get(markHolder);
        System.out.println("Object is marked: " + markHolder[0]);
    }
}

何时使用 compareAndSet vs attemptMark

• 如果需要同时更新对象引用和布尔标记，则使用 compareAndSet 方法。

• 如果只需要更新布尔标记，并且可以容忍偶尔的失败，则可以使用 attemptMark 方法。

6. set 方法的潜在风险

set(V newReference, boolean newMark) 方法用于无条件地设置新的对象引用和布尔标记。这个方法不提供原子性保证，因此在多线程环境下使用时需要格外小心。

风险

• 数据竞争: 如果多个线程同时调用 set 方法，可能会发生数据竞争，导致对象引用和布尔标记的值不一致。

• ABA 问题: 即使使用 set 方法更新了对象引用，也可能存在 ABA 问题。ABA 问题指的是，一个线程在读取一个值 A 之后，另一个线程将其修改为 B，然后再修改回 A。第一个线程在后续的比较操作中可能会认为该值没有发生变化，从而导致错误。

建议

除非你能完全保证在单线程环境下使用，或者已经采取了其他同步措施来避免数据竞争，否则强烈建议不要使用 set 方法。应该优先使用 compareAndSet 方法，因为它提供了原子性保证。

7. AtomicMarkableReference 与 ABA 问题

AtomicMarkableReference 本身并不能完全解决 ABA 问题，但它可以提供一些帮助。ABA 问题指的是，一个变量的值从 A 变为 B，然后再变回 A。对于某些并发算法来说，这可能导致问题，因为算法可能会错误地认为该变量没有发生变化。

AtomicStampedReference vs AtomicMarkableReference

为了更彻底地解决 ABA 问题，Java 提供了 AtomicStampedReference 类。AtomicStampedReference 与 AtomicMarkableReference 类似，但它维护的是一个 版本号 (stamp)，而不是一个布尔标记。每次更新对象引用时，都需要同时更新版本号。这可以确保即使对象引用的值变回了原来的值，版本号也会发生变化，从而避免 ABA 问题。

选择合适的工具

• 如果只需要跟踪一个简单的状态（例如，对象是否已被删除），并且可以容忍 ABA 问题，那么 AtomicMarkableReference 是一个不错的选择。

• 如果需要更彻底地解决 ABA 问题，那么应该使用 AtomicStampedReference。

8. 性能考量

AtomicMarkableReference 的性能通常比使用锁要好，因为它避免了线程阻塞和上下文切换的开销。但是，compareAndSet 操作仍然可能失败，需要进行重试。在高并发环境下，大量的重试可能会导致性能下降。

优化策略

• 减少竞争: 尽量减少多个线程同时访问和修改 AtomicMarkableReference 的情况。可以通过将数据分散到不同的对象中，或者使用线程本地变量等方式来减少竞争。

• 合理选择数据结构: 根据实际需求选择合适的数据结构。例如，如果需要频繁地读取数据，可以使用读写锁来提高读取性能。

• 避免长时间的重试循环: 如果 compareAndSet 操作长时间无法成功，可以考虑放弃重试，并采取其他措施，例如，使用锁来保证数据一致性。

9. 使用场景的进一步探讨

除了前面提到的逻辑删除和状态跟踪之外，AtomicMarkableReference 还可以应用于以下场景：

• 并发缓存: 可以使用 AtomicMarkableReference 来管理缓存中的对象。布尔标记可以用来表示对象是否有效或是否需要刷新。

• 并发数据结构: 可以使用 AtomicMarkableReference 来构建无锁并发数据结构，例如，无锁链表、无锁队列等。

• 分布式锁: 虽然 AtomicMarkableReference 本身不能直接实现分布式锁，但它可以作为构建分布式锁的基础组件之一。

10. 代码示例：并发缓存

以下是一个使用 AtomicMarkableReference 实现并发缓存的简单示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

class CacheEntry<K, V> {
    K key;
    V value;

    public CacheEntry(K key, V value) {
        this.key = key;
        this.value = value;
    }
}

public class ConcurrentCache<K, V> {

    private static AtomicMarkableReference<CacheEntry<K, V>> cacheEntryRef = new AtomicMarkableReference<>(null, false);

    public V get(K key) {
        CacheEntry<K, V> entry = cacheEntryRef.getReference();
        boolean[] markHolder = new boolean[1];
        cacheEntryRef.get(markHolder);

        if (entry != null && entry.key.equals(key) && markHolder[0]) {
            return entry.value;
        }

        return null;
    }

    public void put(K key, V value) {
        CacheEntry<K, V> newEntry = new CacheEntry<>(key, value);
        CacheEntry<K, V> currentEntry = cacheEntryRef.getReference();

        // 如果缓存中已经存在数据，先标记为无效
        if (currentEntry != null) {
            cacheEntryRef.compareAndSet(currentEntry, currentEntry, true, false);
        }

        cacheEntryRef.compareAndSet(currentEntry, newEntry, false, true);
    }

    public static void main(String[] args) {
        ConcurrentCache<String, Integer> cache = new ConcurrentCache<>();
        cache.put("key1", 123);
        System.out.println("Value for key1: " + cache.get("key1"));
        cache.put("key1", 456);
        System.out.println("Value for key1: " + cache.get("key1"));
    }
}

在这个例子中，AtomicMarkableReference 用于管理缓存中的 CacheEntry 对象。布尔标记用于表示缓存条目是否有效。当需要更新缓存时，首先将旧的缓存条目标记为无效，然后再将新的缓存条目放入缓存中。

总结要点：原子性操作，标记状态，谨慎使用set

AtomicMarkableReference 提供了一种原子性的方式来管理对象引用和布尔标记，适用于逻辑删除、状态跟踪等并发场景。使用 compareAndSet 方法可以实现无锁并发算法，但需要注意重试和 ABA 问题。应避免使用 set 方法，以防止数据竞争。

希望今天的讲解能够帮助大家更好地理解和使用 AtomicMarkableReference。感谢大家的收听！