基础篇：Java原子组件和同步组件

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 前言

在使用多线程并发编程的时，经常会遇到对共享变量修改操作。此时我们可以选择ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue来进行安全地存储数据。但如果单单是涉及状态的修改，线程执行顺序问题，使用Atomic开头的原子组件或者ReentrantLock、CyclicBarrier之类的同步组件，会是更好的选择，下面将一一介绍它们的原理和用法

• 原子组件的实现原理CAS
• AtomicBoolean、AtomicIntegerArray等原子组件的用法、
• 同步组件的实现原理
• ReentrantLock、CyclicBarrier等同步组件的用法

原子组件的实现原理CAS

• cas的底层实现可以看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现[1]

应用场景

• 可用来实现变量、状态在多线程下的原子性操作
• 可用于实现同步锁(ReentrantLock)

原子组件

• 原子组件的原子性操作是靠使用cas来自旋操作volatile变量实现的
• volatile的类型变量保证变量被修改时，其他线程都能看到最新的值
• cas则保证value的修改操作是原子性的，不会被中断

基本类型原子类

AtomicBoolean //布尔类型 
AtomicInteger //正整型数类型 
AtomicLong   //长整型类型 

使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(false); 
    //异步线程修改atomicBoolean 
    CompletableFuture future = CompletableFuture.runAsync(() ->{ 
        try { 
            Thread.sleep(1000); //保证异步线程是在主线程之后修改atomicBoolean为false 
            atomicBoolean.set(false); 
        }catch (Exception e){ 
            throw new RuntimeException(e); 
        } 
    }); 
    atomicBoolean.set(true); 
    future.join(); 
    System.out.println("boolean value is:"+atomicBoolean.get()); 
} 
---------------输出结果------------------ 
boolean value is:false 

引用类原子类

AtomicReference 
//加时间戳版本的引用类原子类 
AtomicStampedReference 
//相当于AtomicStampedReference，AtomicMarkableReference关心的是 
//变量是否还是原来变量，中间被修改过也无所谓 
AtomicMarkableReference 

• AtomicReference的源码如下，它内部定义了一个volatile V value，并借助VarHandle(具体子类是FieldInstanceReadWrite)实现原子操作，MethodHandles会帮忙计算value在类的偏移位置，最后在VarHandle调用Unsafe.public final native boolean compareAndSetReference(Object o, long offset, Object expected, Object x)方法原子修改对象的属性

public class AtomicReference implements java.io.Serializable { 
    private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L; 
    private static final VarHandle VALUE; 
    static { 
        try { 
            MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup(); 
            VALUE = l.findVarHandle(AtomicReference.class, "value", Object.class); 
        } catch (ReflectiveOperationException e) { 
            throw new ExceptionInInitializerError(e); 
        } 
    } 
    private volatile V value; 
    .... 

ABA问题

• 线程X准备将变量的值从A改为B，然而这期间线程Y将变量的值从A改为C，然后再改为A;最后线程X检测变量值是A，并置换为B。但实际上，A已经不再是原来的A了
• 解决方法，是把变量定为唯一类型。值可以加上版本号，或者时间戳。如加上版本号，线程Y的修改变为A1->B2->A3，此时线程X再更新则可以判断出A1不等于A3
• AtomicStampedReference的实现和AtomicReference差不多，不过它原子修改的变量是volatile Pair pair;，Pair是其内部类。AtomicStampedReference可以用来解决ABA问题

public class AtomicStampedReference { 
    private static class Pair { 
        final T reference; 
        final int stamp; 
        private Pair(T reference, int stamp) { 
            this.reference = reference; 
            this.stamp = stamp; 
        } 
        static  Pair of(T reference, int stamp) { 
            return new Pair(reference, stamp); 
        } 
    } 
    private volatile Pair pair; 

• 如果我们不关心变量在中间过程是否被修改过，而只是关心当前变量是否还是原先的变量，则可以使用AtomicMarkableReference
• AtomicStampedReference的使用示例

public class Main { 
    public static void main(String[] args) throws Exception { 
        Test old = new Test("hello"), newTest = new Test("world"); 
        AtomicStampedReference reference = new AtomicStampedReference<>(old, 1); 
        reference.compareAndSet(old, newTest,1,2); 
        System.out.println("对象："+reference.getReference().name+";版本号："+reference.getStamp()); 
    } 
} 
class Test{ 
    Test(String name){ this.name = name; } 
    public String name; 
} 
---------------输出结果------------------ 
对象：world;版本号：2 

数组原子类

AtomicIntegerArray //整型数组 
 
AtomicLongArray //长整型数组 
 
AtomicReferenceArray //引用类型数组 

• 数组原子类内部会初始一个final的数组，它把整个数组当做一个对象，然后根据下标index计算法元素偏移量，再调用UNSAFE.compareAndSetReference进行原子操作。数组并没被volatile修饰，为了保证元素类型在不同线程的可见，获取元素使用到了UNSAFEpublic native Object getReferenceVolatile(Object o, long offset)方法来获取实时的元素值
• 使用示例

//元素默认初始化为0 
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(2); 
// 下标为０的元素，期待值是0，更新值是１ 
array.compareAndSet(0,0,1); 
System.out.println(array.get(0)); 
---------------输出结果------------------ 
1 

属性原子类

AtomicIntegerFieldUpdater  
AtomicLongFieldUpdater 
AtomicReferenceFieldUpdater 

• 如果操作对象是某一类型的属性，可以使用AtomicIntegerFieldUpdater原子更新，不过类的属性需要定义成volatile修饰的变量，保证该属性在各个线程的可见性，否则会报错
• 使用示例

public class Main { 
    public static void main(String[] args) { 
        AtomicReferenceFieldUpdater fieldUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Test.class,String.class,"name"); 
        Test test = new Test("hello world"); 
        fieldUpdater.compareAndSet(test,"hello world","siting"); 
        System.out.println(fieldUpdater.get(test)); 
        System.out.println(test.name); 
    } 
} 
class Test{ 
    Test(String name){ this.name = name; } 
    public volatile String name; 
} 
---------------输出结果------------------ 
siting 
siting 

累加器

Striped64 
LongAccumulator 
LongAdder 
//accumulatorFunction：运算规则，identity：初始值 
public LongAccumulator(LongBinaryOperator accumulatorFunction,long identity) 

• LongAccumulator和LongAdder都继承于Striped64，Striped64的主要思想是和ConcurrentHashMap有点类似，分段计算，单个变量计算并发性能慢时，我们可以把数学运算分散在多个变量，而需要计算总值时，再一一累加起来
• LongAdder相当于LongAccumulator一个特例实现
• LongAccumulator的示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator(Long::sum, 0); 
    for(int i=0;i<100000;i++){ 
        CompletableFuture.runAsync(() -> accumulator.accumulate(1)); 
    } 
    Thread.sleep(1000); //等待全部CompletableFuture线程执行完成，再获取 
    System.out.println(accumulator.get()); 
} 
---------------输出结果------------------ 
100000 

同步组件的实现原理

java的多数同步组件会在内部维护一个状态值，和原子组件一样，修改状态值时一般也是通过cas来实现。而状态修改的维护工作被Doug Lea抽象出AbstractQueuedSynchronizer(AQS)来实现

AQS的原理可以看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现[2]

同步组件

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

• ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock都是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的。因为它们有公平锁和非公平锁的区分，因此没直接继承AQS，而是使用内部类去继承，公平锁和非公平锁各自实现AQS，ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock再借助内部类来实现同步
• ReentrantLock的使用示例

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); 
if(lock.tryLock()){ 
    //业务逻辑 
    lock.unlock(); 
} 

• ReentrantReadWriteLock的使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock(); 
    if(lock.readLock().tryLock()){ //读锁 
        //业务逻辑 
        lock.readLock().unlock(); 
    } 
    if(lock.writeLock().tryLock()){ //写锁 
        //业务逻辑 
        lock.writeLock().unlock(); 
    } 
} 

Semaphore实现原理和使用场景

• Semaphore和ReentrantLock一样，也有公平和非公平竞争锁的策略，一样也是通过内部类继承AQS来实现同步
• 通俗解释：假设有一口井，最多有三个人的位置打水。每有一个人打水，则需要占用一个位置。当三个位置全部占满时，第四个人需要打水，则要等待前三个人中一个离开打水位，才能继续获取打水的位置
• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    Semaphore semaphore = new Semaphore(2); 
    for (int i = 0; i < 3; i++) 
        CompletableFuture.runAsync(() -> { 
            try { 
                System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " start "); 
                if(semaphore.tryAcquire(1)){ 
                    Thread.sleep(1000); 
                    semaphore.release(1); 
                    System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 无阻塞结束 "); 
                }else { 
                    System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 被阻塞结束 "); 
                } 
            } catch (Exception e) { 
                throw new RuntimeException(e); 
            } 
        }); 
    //保证CompletableFuture 线程被执行，主线程再结束 
    Thread.sleep(2000); 
} 
---------------输出结果------------------ 
Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] start  
Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] start  
Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] start  
Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] 被阻塞结束  
Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] 无阻塞结束  
Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] 无阻塞结束  

可以看出三个线程，因为信号量设定为2，第三个线程是无法获取信息成功的，会打印阻塞结束

CountDownLatch实现原理和使用场景

• CountDownLatch也是靠AQS实现的同步操作
• 通俗解释：玩游戏时，假如主线任务需要靠完成五个小任务，主线任务才能继续进行时。此时可以用CountDownLatch，主线任务阻塞等待，每完成一小任务，就done一次计数，直到五个小任务全部被执行才能触发主线
• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    CountDownLatch count = new CountDownLatch(2); 
    for (int i = 0; i < 2; i++) 
        CompletableFuture.runAsync(() -> { 
            try { 
                Thread.sleep(1000); 
                System.out.println(" CompletableFuture over "); 
                count.countDown(); 
            } catch (Exception e) { 
                throw new RuntimeException(e); 
            } 
        }); 
    //等待CompletableFuture线程的完成 
    count.await(); 
    System.out.println(" main over "); 
} 
---------------输出结果------------------ 
 CompletableFuture over  
 CompletableFuture over  
 main over  

CyclicBarrier实现原理和使用场景

• CyclicBarrier则是靠ReentrantLock lock和Condition trip属性来实现同步
• 通俗解释：CyclicBarrier需要阻塞全部线程到await状态，然后全部线程再全部被唤醒执行。想象有一个栏杆拦住五只羊，需要当五只羊一起站在栏杆时，栏杆才会被拉起，此时所有的羊都可以飞跑出羊圈
• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2); 
    CompletableFuture.runAsync(()->{ 
        try { 
            System.out.println("CompletableFuture run start-"+ Clock.systemUTC().millis()); 
            barrier.await(); //需要等待main线程也执行到await状态才能继续执行 
            System.out.println("CompletableFuture run over-"+ Clock.systemUTC().millis()); 
        }catch (Exception e){ 
            throw new RuntimeException(e); 
        } 
    }); 
    Thread.sleep(1000); 
    //和CompletableFuture线程相互等待 
    barrier.await(); 
    System.out.println("main run over!"); 
} 
---------------输出结果------------------ 
CompletableFuture run start-1609822588881 
main run over! 
CompletableFuture run over-1609822589880 

StampedLock

• StampedLock不是借助AQS，而是自己内部维护多个状态值，并配合cas实现的
• StampedLock具有三种模式：写模式、读模式、乐观读模式
• StampedLock的读写锁可以相互转换

//获取读锁，自旋获取，返回一个戳值 
public long readLock() 
//尝试加读锁，不成功返回0 
public long tryReadLock() 
//解锁 
public void unlockRead(long stamp)  
//获取写锁，自旋获取，返回一个戳值 
public long writeLock() 
//尝试加写锁，不成功返回0 
public long tryWriteLock() 
//解锁 
public void unlockWrite(long stamp) 
//尝试乐观读读取一个时间戳，并配合validate方法校验时间戳的有效性 
public long tryOptimisticRead() 
//验证stamp是否有效 
public boolean validate(long stamp) 

• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception { 
    StampedLock stampedLock = new StampedLock(); 
    long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead(); 
    //判断版本号是否生效 
    if (!stampedLock.validate(stamp)) { 
        //获取读锁，会空转 
        stamp = stampedLock.readLock(); 
        long writeStamp = stampedLock.tryConvertToWriteLock(stamp); 
        if (writeStamp != 0) { //成功转为写锁 
            //fixme 业务操作 
            stampedLock.unlockWrite(writeStamp); 
        } else { 
            stampedLock.unlockRead(stamp); 
            //尝试获取写读 
            stamp = stampedLock.tryWriteLock(); 
            if (stamp != 0) { 
                //fixme 业务操作 
                stampedLock.unlockWrite(writeStamp); 
            } 
        } 
    } 
}     

参考文章

• 并发之Striped64(l累加器)[3]

参考资料

[1]详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现: https://juejin.cn/post/6854573210768900110

[2]详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现: https://juejin.cn/post/6854573210768900110

[3]并发之Striped64(l累加器): https://www.cnblogs.com/gosaint/p/9129867.html