不用synchronized块的话如何实现一个原子的i++？

2022-08-08 21:08:13

上周被问到这个问题，没想出来，后来提示说concurrent包里的原子类。回来学习一下。

一、何谓Atomic？

Atomic一词跟原子有点关系，后者曾被人认为是最小物质的单位。计算机中的Atomic是指不能分割成若*分的意思。如果一段代码被认为是Atomic，则表示这段代码在执行过程中，是不能被中断的。通常来说，原子指令由硬件提供，供软件来实现原子方法（某个线程进入该方法后，就不会被中断，直到其执行完成）

在x86 平台上，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

二、java.util.concurrent中的原子变量

无论是直接的还是间接的，几乎 java.util.concurrent 包中的所有类都使用原子变量，而不使用同步。类似 ConcurrentLinkedQueue 的类也使用原子变量直接实现无等待算法，而类似 ConcurrentHashMap 的类使用 ReentrantLock 在需要时进行锁定。然后， ReentrantLock 使用原子变量来维护等待锁定的线程队列。
如果没有 JDK 5.0 中的 JVM 改进，将无法构造这些类，这些改进暴露了（向类库，而不是用户类）接口来访问硬件级的同步原语。然后，java.util.concurrent 中的原子变量类和其他类向用户类公开这些功能
java.util.concurrent.atomic的原子类

这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的，不会阻塞线程(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。其中的类可以分成4组
AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
AtomicIntegerArray，AtomicLongArray
AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference，AtomicReferenceArray
其中AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference是类似的。

首先AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference内部api是类似的：举个AtomicReference的例子

使用AtomicReference创建线程安全的堆栈

Java代码

public class LinkedStack<T> { 

    private AtomicReference<Node<T>> stacks = new AtomicReference<Node<T>>(); 

    public T push(T e) {
        Node<T> oldNode, newNode;
        while (true) { //这里的处理非常的特别，也是必须如此的。
            oldNode = stacks.get();
            newNode = new Node<T>(e, oldNode);
            if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {
                return e;
            }
        }
    } 

    public T pop() {
        Node<T> oldNode, newNode;
        while (true) {
            oldNode = stacks.get();
            newNode = oldNode.next;
            if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {
                return oldNode.object;
            }
        }
    } 

    private static final class Node<T> {
        private T object; 

        private Node<T> next; 

        private Node(T object, Node<T> next) {
            this.object = object;
            this.next = next;
        }
    }
}

然后关注字段的原子更新。

AtomicIntegerFieldUpdater<T>/AtomicLongFieldUpdater<T>/AtomicReferenceFieldUpdater<T,V>是基于反射的原子更新字段的值。

相应的API也是非常简单的，但是也是有一些约束的。

（1）字段必须是volatile类型的！volatile到底是个什么东西。请查看
（2）字段的描述类型（修饰符public/protected/default/private）是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。

（3）只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。

（4）只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的，这两个关键字不能同时存在。

（5）对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型（Integer/Long）。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

在下面的例子中描述了操作的方法。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;  

public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {  

   class DemoData{
       public volatile int value1 = 1;
       volatile int value2 = 2;
       protected volatile int value3 = 3;
       private volatile int value4 = 4;
   }
    AtomicIntegerFieldUpdater<DemoData> getUpdater(String fieldName) {
        return AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(DemoData.class, fieldName);
    }
    void doit() {
        DemoData data = new DemoData();
        System.out.println("1 ==> "+getUpdater("value1").getAndSet(data, 10));
        System.out.println("3 ==> "+getUpdater("value2").incrementAndGet(data));
        System.out.println("2 ==> "+getUpdater("value3").decrementAndGet(data));
        System.out.println("true ==> "+getUpdater("value4").compareAndSet(data, 4, 5));
    }
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdaterDemo demo = new AtomicIntegerFieldUpdaterDemo();
        demo.doit();
    }
}

在上面的例子中DemoData的字段value3/value4对于AtomicIntegerFieldUpdaterDemo类是不可见的，因此通过反射是不能直接修改其值的。

AtomicMarkableReference类描述的一个<Object,Boolean>的对，可以原子的修改Object或者Boolean的值，这种数据结构在一些缓存或者状态描述中比较有用。这种结构在单个或者同时修改Object/Boolean的时候能够有效的提高吞吐量。

AtomicStampedReference类维护带有整数“标志”的对象引用，可以用原子方式对其进行更新。对比AtomicMarkableReference类的<Object,Boolean>，AtomicStampedReference维护的是一种类似<Object,int>的数据结构，其实就是对对象（引用）的一个并发计数。但是与AtomicInteger不同的是，此数据结构可以携带一个对象引用（Object），并且能够对此对象和计数同时进行原子操作。

在本文结尾会提到“ABA问题”，而AtomicMarkableReference/AtomicStampedReference在解决“ABA问题”上很有用。

三、Atomic类的作用

使得让对单一数据的操作，实现了原子化
使用Atomic类构建复杂的，无需阻塞的代码
访问对2个或2个以上的atomic变量（或者对单个atomic变量进行2次或2次以上的操作）通常认为是需要同步的，以达到让这些操作能被作为一个原子单元。
无锁定且无等待算法

基于 CAS （compare and swap）的并发算法称为无锁定算法，因为线程不必再等待锁定（有时称为互斥或关键部分，这取决于线程平台的术语）。无论 CAS 操作成功还是失败，在任何一种情况中，它都在可预知的时间内完成。如果 CAS 失败，调用者可以重试 CAS 操作或采取其他适合的操作。
如果每个线程在其他线程任意延迟（或甚至失败）时都将持续进行操作，就可以说该算法是无等待的。与此形成对比的是，无锁定算法要求仅某个线程总是执行操作。（无等待的另一种定义是保证每个线程在其有限的步骤中正确计算自己的操作，而不管其他线程的操作、计时、交叉或速度。这一限制可以是系统中线程数的函数；例如，如果有 10 个线程，每个线程都执行一次CasCounter.increment() 操作，最坏的情况下，每个线程将必须重试最多九次，才能完成增加。）
再过去的 15 年里，人们已经对无等待且无锁定算法（也称为无阻塞算法）进行了大量研究，许多人通用数据结构已经发现了无阻塞算法。无阻塞算法被广泛用于操作系统和 JVM 级别，进行诸如线程和进程调度等任务。虽然它们的实现比较复杂，但相对于基于锁定的备选算法，它们有许多优点：可以避免优先级倒置和死锁等危险，竞争比较便宜，协调发生在更细的粒度级别，允许更高程度的并行机制等等。
常见的：
非阻塞的计数器Counter
非阻塞堆栈ConcurrentStack
非阻塞的链表ConcurrentLinkedQueue

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