Java中原子变量简介

2020-04-22 1640 words 4 minutes

Contents

1. 简介

简而言之，当涉及并发时，共享的可变状态很容易导致问题。如果对共享可变对象的访问没有得到妥善管理，应用程序很快就会变得容易出现一些难以检测的并发错误。

在本文中，我们将重新审视使用锁来处理并发访问，探讨与锁相关的一些缺点，最后介绍原子变量作为替代方案。

2. 锁具

让我们看一下这个类：

public class Counter {
    int counter; 
 
    public void increment() {
        counter++;
    }
}

在单线程环境的情况下，这非常有效；然而，一旦我们允许多个线程写入，我们就会开始得到不一致的结果。

这是因为简单的自增操作（counter++），它可能看起来像一个原子操作，但实际上是三个操作的组合：获取值、自增和写回更新的值。

如果两个线程同时尝试获取和更新值，可能会导致更新丢失。

管理对对象的访问的方法之一是使用锁。这可以通过在增量方法签名中使用synchronized关键字来实现。synchronized关键字确保一次只有一个线程可以进入方法（要了解有关锁定和同步的更多信息，请参阅 - Java 中的同步关键字指南）：

public class SafeCounterWithLock {
    private volatile int counter;
 
    public synchronized void increment() {
        counter++;
    }
}

此外，我们需要添加volatile关键字以确保线程之间正确的引用可见性。

使用锁解决了这个问题。但是，性能受到打击。

当多个线程尝试获取锁时，其中一个会获胜，而其余线程要么被阻塞，要么被挂起。

暂停然后恢复线程的过程非常昂贵，并且影响系统的整体效率。

在像counter这样的小程序中，上下文切换所花费的时间可能会远远超过实际代码执行的时间，从而大大降低了整体效率。

3. 原子操作

有一个研究分支专注于为并发环境创建非阻塞算法。这些算法利用诸如比较和交换 (CAS) 之类的低级原子机器指令来确保数据完整性。

典型的 CAS 操作适用于三个操作数：

操作的内存位置 (M)
变量的现有期望值 (A)
需要设置的新值（B）

CAS 操作将 M 中的值原子更新到 B，但前提是 M 中的现有值与 A 匹配，否则不采取任何操作。

在这两种情况下，都会返回 M 中的现有值。这将三个步骤（获取值、比较值和更新值）组合到单个机器级别的操作中。

当多个线程尝试通过 CAS 更新同一个值时，其中一个线程获胜并更新该值。然而，与锁不同的是，没有其他线程被挂起；相反，他们只是被告知他们没有设法更新该值。然后线程可以继续进行进一步的工作，并且完全避免了上下文切换。

另一个后果是核心程序逻辑变得更加复杂。这是因为我们必须处理 CAS 操作不成功的情况。我们可以一次又一次地重试它，直到它成功，或者我们可以什么都不做，根据用例继续前进。

4. Java 中的原子变量

Java 中最常用的原子变量类是AtomicInteger 、AtomicLong 、AtomicBoolean 和AtomicReference 。这些类分别代表一个int、long、boolean和 object 引用，它们可以被原子更新。这些类公开的主要方法是：

get() – 从内存中获取值，以便其他线程所做的更改可见；相当于读取一个volatile变量
set() – 将值写入内存，以便其他线程可以看到更改；相当于写一个volatile变量
lazySet() – 最终将值写入内存，可能会通过后续相关的内存操作重新排序。一个用例是为了垃圾收集而使引用无效，永远不会再访问它。在这种情况下，通过延迟 null volatile写入可以实现更好的性能
compareAndSet() - 与第 3 节中描述的相同，成功时返回 true，否则返回 false
weakCompareAndSet() – 与第 3 节中描述的相同，但在某种意义上较弱，它不会创建发生前的排序。这意味着它可能不一定会看到对其他变量的更新。从 Java 9开始，该方法已在所有原子实现中被弃用，取而代之的是 weakCompareAndSetPlain() 。*weakCompareAndSet()的记忆效应很简单，但它的名字暗示了易失性记忆效应。为了避免这种混淆，他们弃用了这种方法，并添加了四种具有不同记忆效果的方法，例如weakCompareAndSetPlain()*或 weakCompareAndSetVolatile()

使用AtomicInteger实现的线程安全计数器如下例所示：

public class SafeCounterWithoutLock {
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
    public int getValue() {
        return counter.get();
    }
    public void increment() {
        while(true) {
            int existingValue = getValue();
            int newValue = existingValue + 1;
            if(counter.compareAndSet(existingValue, newValue)) {
                return;
            }
        }
    }
}

如您所见，我们重试compareAndSet操作并在失败时再次尝试，因为我们希望保证对increment方法的调用始终将值增加 1。