深入理解Java中Atomic系列类的原理与无锁并发编程

Java Atomic 系列类：原理、应用与无锁并发编程

各位同学，大家好！今天我们来深入探讨 Java Atomic 系列类，理解其背后的原理，并学习如何利用它们进行高效的无锁并发编程。

在多线程环境下，保证共享变量的原子性操作至关重要。传统的解决方案通常是使用 synchronized 关键字或者 Lock 接口，这些方式都需要进行加锁和解锁操作，会带来上下文切换的开销，尤其是在高并发场景下，性能会受到显著影响。而 Atomic 系列类提供了一种更加轻量级的实现原子操作的方式，即无锁并发编程。

1. 原子性与可见性

首先，我们来回顾一下原子性和可见性的概念，这是理解 Atomic 类的前提。

• 原子性（Atomicity）: 指一个操作是不可中断的，要么全部执行成功，要么全部不执行，不存在中间状态。
• 可见性（Visibility）: 指当一个线程修改了共享变量的值，其他线程能够立即看到修改后的值。

在多线程环境下，如果不能保证原子性和可见性，就会出现各种并发问题，如数据竞争、脏读等。

2. Atomic 系列类概览

Java java.util.concurrent.atomic 包提供了多个原子类，主要分为以下几类：

• 基本类型原子类: AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean
• 引用类型原子类: AtomicReference, AtomicStampedReference, AtomicMarkableReference
• 数组类型原子类: AtomicIntegerArray, AtomicLongArray, AtomicReferenceArray
• 字段更新器: AtomicIntegerFieldUpdater, AtomicLongFieldUpdater, AtomicReferenceFieldUpdater
• 累加器和 Adder: LongAdder, DoubleAdder, LongAccumulator, DoubleAccumulator

这些类都利用了底层的 CAS (Compare and Swap) 操作来保证原子性。

3. CAS 原理

CAS 是一种乐观锁机制，它包含三个操作数：

• V: 内存地址 (要更新的变量的地址)
• A: 预期值 (线程在读取 V 时的值)
• B: 新值 (线程要更新 V 的值)

CAS 操作会比较内存地址 V 处的值是否等于 A，如果相等，则将 V 的值更新为 B，否则不做任何操作。整个比较和更新的过程是原子性的。

CAS 操作的伪代码如下：

boolean compareAndSwap(address, expectedValue, newValue) {
  if (address.value == expectedValue) {
    address.value = newValue;
    return true;
  } else {
    return false;
  }
}

CAS 的优点:

• 避免了加锁和解锁带来的上下文切换开销，性能更高。
• 属于乐观锁，适用于读多写少的场景。

CAS 的缺点:

• ABA 问题: 如果一个变量的值先是从 A 变为 B，然后再变回 A，CAS 操作会认为该变量没有发生变化，但实际上可能已经被其他线程修改过。
• 自旋开销: 如果 CAS 操作一直失败，线程会不断地重试，造成 CPU 资源浪费。

4. AtomicInteger 源码解析

我们以 AtomicInteger 为例，来分析其内部实现原理。

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;

    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }

    public final int get() {
        return value;
    }

    public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
    }

    public final int getAndSet(int newValue) {
        while (true) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

    public final int getAndIncrement() {
        while (true) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

    public final int incrementAndGet() {
        while (true) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

    // ... 其他方法省略
}

源码分析：

• Unsafe 类：AtomicInteger 依赖于 sun.misc.Unsafe 类，这是一个 Java 底层类，提供了直接访问内存的能力。需要注意的是，Unsafe 类通常不建议在普通应用程序中使用，因为它绕过了 JVM 的安全检查。
• valueOffset：这个变量存储了 value 字段在 AtomicInteger 对象中的内存偏移量。通过 Unsafe.objectFieldOffset() 方法可以获取到这个偏移量。
• volatile int value：value 字段使用 volatile 关键字修饰，保证了可见性。
• compareAndSet(int expect, int update)：这是最核心的方法，它调用了 Unsafe.compareAndSwapInt() 方法来实现 CAS 操作。
• getAndIncrement() 和 incrementAndGet()：这两个方法都使用了循环 CAS 的方式来实现原子性的自增操作。

循环 CAS:

getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法都使用了 while (true) 循环，不断地尝试 CAS 操作，直到成功为止。这种方式被称为循环 CAS 或者自旋。

public final int getAndIncrement() {
    while (true) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

如果 CAS 操作失败，说明有其他线程修改了 value 的值，当前线程需要重新读取 value 的值，并计算新的值，然后再次尝试 CAS 操作。

5. ABA 问题的解决方案：AtomicStampedReference

前面提到，CAS 操作存在 ABA 问题。AtomicStampedReference 类可以解决这个问题。

AtomicStampedReference 在 AtomicReference 的基础上，增加了一个版本号 (stamp)。每次修改变量时，都需要更新版本号。这样，即使变量的值从 A 变为 B，然后再变回 A，但版本号已经发生了变化，CAS 操作会检测到这种变化，从而避免 ABA 问题。

public class AtomicStampedReference<V> {

    private final Pair<V> pair;
    private final ReferenceFieldUpdater<AtomicStampedReference, Pair<V>> updater;

    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<>(reference, stamp);
        }
    }

    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
        updater = ReferenceFieldUpdater.newUpdater(AtomicStampedReference.class, Pair.class, "pair");
    }

    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) ||
             updater.compareAndSet(this, current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

    // ... 其他方法省略
}

AtomicStampedReference 的 compareAndSet() 方法需要传入四个参数：

• expectedReference：预期的引用值
• newReference：新的引用值
• expectedStamp：预期的版本号
• newStamp：新的版本号

只有当引用值和版本号都与预期值相等时，才会更新引用值和版本号。

使用示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class AtomicStampedReferenceExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        String initialRef = "A";
        int initialStamp = 0;

        AtomicStampedReference<String> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(initialRef, initialStamp);

        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            String expectedReference = atomicStampedReference.getReference();
            int expectedStamp = atomicStampedReference.getStamp();

            // 模拟 A -> B -> A 的过程
            try {
                Thread.sleep(100); // 模拟线程1的操作时间
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            boolean success = atomicStampedReference.compareAndSet(expectedReference, "B", expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println("Thread 1: A -> B, success: " + success);

            expectedReference = atomicStampedReference.getReference();
            expectedStamp = atomicStampedReference.getStamp();

            success = atomicStampedReference.compareAndSet(expectedReference, "A", expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println("Thread 1: B -> A, success: " + success);
        });

        Thread thread2 = new Thread(() -> {
            String expectedReference = atomicStampedReference.getReference();
            int expectedStamp = atomicStampedReference.getStamp();

            // 模拟线程2尝试将 A -> C
            try {
                Thread.sleep(200); // 确保线程1先执行完 A -> B -> A 的过程
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }

            boolean success = atomicStampedReference.compareAndSet(expectedReference, "C", expectedStamp, expectedStamp + 1);
            System.out.println("Thread 2: A -> C, success: " + success);
        });

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Final Reference: " + atomicStampedReference.getReference());
        System.out.println("Final Stamp: " + atomicStampedReference.getStamp());
    }
}

在这个例子中，线程 1 先将 atomicStampedReference 的值从 A 变为 B，然后再变回 A，同时版本号也增加了 2。线程 2 尝试将 atomicStampedReference 的值从 A 变为 C，由于版本号已经发生了变化，CAS 操作会失败，从而避免了 ABA 问题。

6. 字段更新器 (Updater)

AtomicIntegerFieldUpdater, AtomicLongFieldUpdater, AtomicReferenceFieldUpdater 这三个类提供了对对象中 volatile 修饰的字段进行原子更新的能力。它们允许你对已有的类进行原子化改造，而无需修改类的源代码。

使用条件：

• 目标字段必须是 volatile 类型的。
• 目标字段不能是 private 类型的。
• 只能是实例变量，不能是类变量 (static)。
• 由于 Unsafe 类的限制，只能在当前类中访问继承下来的变量，不能访问其他类的变量。

使用示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterExample {

    static class Counter {
        public volatile int count = 0;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();
        AtomicIntegerFieldUpdater<Counter> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Counter.class, "count");

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    updater.incrementAndGet(counter);
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Final Count: " + counter.count);
    }
}

在这个例子中，我们使用 AtomicIntegerFieldUpdater 来原子地更新 Counter 类中的 count 字段。

字段更新器的优点:

• 无需修改类的源代码，即可实现原子更新。
• 可以对已有的类进行原子化改造。

字段更新器的缺点:

• 使用条件比较苛刻。
• 性能可能不如直接使用 Atomic 类。

7. 累加器和 Adder

LongAdder 和 DoubleAdder 是 Java 8 引入的，它们在高并发场景下，比 AtomicLong 和 AtomicDouble 具有更好的性能。

LongAdder 的原理是，它维护了一个 Cell 数组，每个 Cell 包含一个 long 类型的变量。当多个线程并发地更新 LongAdder 的值时，它们会分别更新不同的 Cell，从而减少了 CAS 操作的竞争。

适用场景:

• 高并发，写多读少的场景。
• 对最终结果的精度要求不高。

使用示例:

import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

public class LongAdderExample {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        LongAdder adder = new LongAdder();

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    adder.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Final Sum: " + adder.sum());
    }
}

在这个例子中，我们使用 LongAdder 来统计累加的总和。

8. Atomic 类选择原则

在选择 Atomic 类时，需要根据具体的场景进行权衡。

类	适用场景	优点	缺点
AtomicInteger/Long/Boolean	读多写少，竞争不激烈的场景。	简单易用，性能较好。	在高并发场景下，CAS 竞争激烈，性能下降。
AtomicReference	需要原子地更新引用类型的场景。	可以保证引用类型的原子性。	存在 ABA 问题。
AtomicStampedReference	需要解决 ABA 问题的场景。	可以避免 ABA 问题。	实现相对复杂，性能略低于 AtomicReference。
AtomicIntegerFieldUpdater	需要对已有的类进行原子化改造，且满足使用条件的场景。	无需修改类的源代码，即可实现原子更新。	使用条件苛刻，性能可能不如直接使用 Atomic 类。
LongAdder/DoubleAdder	高并发，写多读少的场景，对最终结果的精度要求不高。	在高并发场景下，性能优于 AtomicLong/Double。	牺牲了精度，不适合对精度要求高的场景。

9. 无锁并发编程的注意事项

虽然 Atomic 类可以实现无锁并发编程，但仍然需要注意以下几点：

• 避免长时间的自旋: 如果 CAS 操作一直失败，线程会不断地重试，造成 CPU 资源浪费。可以考虑使用 Thread.yield() 方法来让出 CPU 资源。
• 正确处理异常: 在循环 CAS 中，需要正确处理异常，避免死循环。
• 选择合适的 Atomic 类: 根据具体的场景选择合适的 Atomic 类，避免过度使用。
• 注意内存可见性: 确保所有线程都能看到共享变量的最新值。

10. 使用 Atomic 类实现一个简单的计数器

下面我们使用 AtomicInteger 实现一个简单的计数器：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Counter {

    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public int increment() {
        return count.incrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Counter counter = new Counter();

        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    counter.increment();
                }
            });
            threads[i].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }

        System.out.println("Final Count: " + counter.getCount());
    }
}

这个计数器使用了 AtomicInteger 来保证原子性的自增操作。

11. 总结：Atomic 类简化并发编程，选择需谨慎

Atomic 系列类提供了一种高效的无锁并发编程方式，通过 CAS 操作保证了共享变量的原子性。理解 CAS 原理、ABA 问题以及各种 Atomic 类的适用场景，可以帮助我们更好地利用 Atomic 类来构建高性能的并发应用程序。在实际应用中，需要根据具体的场景选择合适的 Atomic 类，并注意无锁并发编程的注意事项。