并发编程学习（十）：共享模式无锁、原子整数、原子引用类型-Toy模板网

这篇具有很好参考价值的文章主要介绍了并发编程学习（十）：共享模式无锁、原子整数、原子引用类型。希望对大家有所帮助。如果存在错误或未考虑完全的地方，请大家不吝赐教，您也可以点击"举报违法"按钮提交疑问。

1、volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用volatile修饰。

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，它可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量，必须到主存中获取它的值，线程操作volatile变量都是直接操作主存，即一个线程对volatile变量的修改，对另一个线程可见。

注意：

volatile仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够开到新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）。

CAS必须借助volatile才能读取到共享变量的最新值来实现【比较和交换】的效果。

2、cas为什么无锁效率高？

无锁情况下，即使重试失败，线程始终在告诉运行，没有停歇，而synchronized会让线程在没有获取到锁的时候，发生上线问切换，进而阻塞。
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外的CPU支持，如果没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。

3、CAS的特点

结合CAS和volatile可以实现无锁并发，适应于线程数少、多核CPU的场景下。

CAS是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，会重试。
synchronized是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其他线程来修改共享变量，上来先锁住，改完后再解开锁。
CAS体现的是无锁并发、无阻塞并发。
- 因为没有使用synchronized,所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一。
- 但如果竞争激励，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受到影响。

4、原子整数

J.U.C并发包提供了：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong.

4.1、AtomicInteger

package com.example.test.java.juc;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.function.IntUnaryOperator;

public class AtomicTest {
    public static void main(String[] args) {

        AtomicInteger i = new AtomicInteger();

        // 【原子操作】，先获取再自增（i=0,结果i=1,返回0），类似于i++
        System.out.println(i.getAndIncrement());

        // 【原子操作】，先自增再获取（i=0,结果i=1,返回1），类似于++i
        System.out.println(i.incrementAndGet());

        // 【原子操作】，先自减再获取（i=0,结果i=-1,返回-1），类似于--i
        System.out.println(i.decrementAndGet());

        // 【原子操作】，先获取再自减（i=0,结果i=-1,返回0），类似于i--
        System.out.println(i.getAndDecrement());

        // 【原子操作】，先获取再加值（i=0,结果i=5,返回0）
        System.out.println(i.getAndAdd(5));

        // 【原子操作】，先加值再获取（i=0,结果i=5,返回5）
        System.out.println(i.addAndGet(5));

        // 【原子操作】，先更新再获取（i=5,结果i=5*10 ,返回50）， x 代表操作前的i值。
        System.out.println(i.updateAndGet(x -> x *10));

        // 【原子操作】，先获取再更新（i=5,结果i=5*10,返回5）， x 代表操作前的i值。
        System.out.println(i.getAndUpdate(x -> x *10));

        // 原子操作实现原理：
        updateAndGet(i, o -> o * 2,1);

        System.out.println(i.get());
    }

    /* 原子操作实现原理(自定义实现)
     *
     * IntUnaryOperator : 接口函数。唯一的抽象方法：applyAsInt
     *
     * preOrNext : 返回处理前 或 处理后的 结果，1-前，2-后
     */
    public static void updateAndGet(AtomicInteger i, IntUnaryOperator o,int preOrNext) {
        int returni = 0;
        while (true) {
            int pre = i.get();
            int next = o.applyAsInt(pre);
            // compareAndSet为cas的原子操作
            if (i.compareAndSet(pre,next)) {
                if (1 == preOrNext) {
                    returni = pre;
                } else {
                    returni = next;
                }
                break;
            }
        }
    }
}

5、原子引用类型

AtomicReference、 AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference

5.1、AtomicReference

package com.example.test.java.juc;
import java.math.BigDecimal;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
/*
    原子引用类型： 
         AtomicReference
         AtomicMarkableReference
         AtomicStampedReference

         AtomicReference：
            主线程仅能判断出共享变量的值与最初值A是否相同，不能感知到这种从A改为B又改回A的情况，
            如果主线程希望：只要有其他线程【动过了】共享变量，那么自己的cas就算失败，这时仅比较值就不够用了，需要再加一个版本号。
             如：AtomicStampedReference
 */
public class AtomicReferenceTest {
    /*
      DecimalAccount 接口类
     */
    interface DecimalAccount {
        // 获取金额
        BigDecimal getBalance();

        // 取款
        void withdraw(BigDecimal amount);

    }

    /*
      DecimalAccountCas 通过cas 实现DecimalAccount接口的提款方法的withdraw原子操作
     */
    class DecimalAccountCas implements DecimalAccount {

        // 通过原子引用类型保护Bigdecimal类型的余额：balance
        private AtomicReference<BigDecimal> balance;

        // 有参构造方法
        public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
            this.balance = new AtomicReference<BigDecimal>(balance);
        }

        // 获取当前余额
        @Override
        public BigDecimal getBalance() {
            return balance.get();
        }

        // 取款
        @Override
        public void withdraw(BigDecimal amount) {
            while(true) {
                // 当前余额
                BigDecimal pre = balance.get();
                // 取款后的余额
                BigDecimal next = pre.subtract(amount);
                // 通过cas原子操作，将取款后的值复制给余额
                if (balance.compareAndSet(pre,next)) {
                    // 修改成功
                    break;
                }
                // 如果修改失败，代表pre已经被别人修改过了，需要继续循环重新获取
            }
        }
    }
}

5.2、AtomicStampedReference （多了版本号）

AtomicStampedReference可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用真个的变化过程，如：A->B->A->C, 通过AtomicStampedReference我们可以知道引用变量中途被变更了几次。

package com.example.test.java.juc;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;
/*
  AtomicStampedReference 比 AtomicReference 多了一个版本号的概念。
  AtomicReference：
            主线程仅能判断出共享变量的值与最初值A是否相同，不能感知到这种从A改为B又改回A的情况，
            如果主线程希望：只要有其他线程【动过了】共享变量，那么自己的cas就算失败，这时仅比较值就不够用了，需要再加一个版本号。这时就可以使用 AtomicStampedReference。

             AtomicStampedReference【只有当前值 、版本号都对，才可以修改成功】。
 */
@Slf4j(topic = "com.test.AtomicStampedReference")
public class AtomicStampedReferenceTestABA {

    // 共享变量
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A",0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        // 获取未修改前的值
        String pre = ref.getReference();
        // 获取未修改前的版本号
        int stamp = ref.getStamp();
        log.debug("未修改前的值: {},版本号: {}",pre,stamp);


        // 新开两个线程将A改为B, B改为A
        new Thread(() -> {
            int stamp1 = ref.getStamp();
            String reference1 = ref.getReference();
            log.debug("当前值：{},版本号: {}",reference1,stamp1);
            boolean flag = ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", stamp1, stamp1 + 1);
            log.debug("A改为B: {}",flag);
        },"线程1").start();

        new Thread(() -> {
            int stamp2 = ref.getStamp();
            String reference2 = ref.getReference();
            log.debug("当前值：{},版本号: {}",reference2,stamp2);
            boolean flag = ref.compareAndSet(reference2, "A", stamp2, stamp2 + 1);
            log.debug("B改为A: {}",flag);
        },"线程2").start();

        Thread.sleep(1000);

        // 尝试改为C
        boolean flag = ref.compareAndSet(pre, "C", stamp, stamp + 1);
        log.debug("A尝试改为C: {}",flag);
    }
}

输出结果：
15:17:25.611 [main] DEBUG com.test.AtomicStampedReference - 未修改前的值: A,版本号: 0
15:17:25.702 [线程1] DEBUG com.test.AtomicStampedReference - 当前值：A,版本号: 0
15:17:25.702 [线程1] DEBUG com.test.AtomicStampedReference - A改为B: true
15:17:25.702 [线程2] DEBUG com.test.AtomicStampedReference - 当前值：B,版本号: 1
15:17:25.702 [线程2] DEBUG com.test.AtomicStampedReference - B改为A: true
15:17:26.704 [main] DEBUG com.test.AtomicStampedReference - A尝试改为C: false

但有时候，并不关系引用变量更改次数，只是单纯的关心【是否更改过】，所以就有了AtomicMarkableReference。

5.3、AtomicMarkableReference（是否更改过）

AtomicMarkableReference 是通过 boolean 型的标识来判断数据是否有更改过。

package com.example.test.java.juc;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

@Slf4j(topic = "com.test.AtomicMarkableReference")
public class AtomicMarkableReferenceTest {
    static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference("tom",false);

    public static void main(String[] args) {
        boolean oldMarked = ref.isMarked();
        String oldReference = ref.getReference();

        log.debug("初始化之后的标记：{}", oldMarked);
        log.debug("初始化之后的值：{}", oldReference);

        String newReference = "jerry";

        boolean b = ref.compareAndSet(oldReference, newReference, true, false);
        if (!b) {
            log.debug("Mark不一致，无法修改Reference的值");
        }
        b = ref.compareAndSet(oldReference, newReference, false, true);
        if (b) {
            log.debug("Mark一致，修改reference的值为jerry");
        }
        log.debug("修改成功之后的Mark：{}" , ref.isMarked());
        log.debug("修改成功之后的值：{}" , ref.getReference());
    }
}

输出结果：

15:42:45.757 [main] DEBUG com.test.AtomicMarkableReference - 初始化之后的标记：false
15:42:45.769 [main] DEBUG com.test.AtomicMarkableReference - 初始化之后的值：tom
15:42:45.769 [main] DEBUG com.test.AtomicMarkableReference - Mark不一致，无法修改Reference的值
15:42:45.770 [main] DEBUG com.test.AtomicMarkableReference - Mark一致，修改reference的值为jerry
15:42:45.770 [main] DEBUG com.test.AtomicMarkableReference - 修改成功之后的Mark：true
15:42:45.770 [main] DEBUG com.test.AtomicMarkableReference - 修改成功之后的值：jerry文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-439505.html

到了这里，关于并发编程学习（十）：共享模式无锁、原子整数、原子引用类型的文章就介绍完了。如果您还想了解更多内容，请在右上角搜索TOY模板网以前的文章或继续浏览下面的相关文章，希望大家以后多多支持TOY模板网！