Java面试准备之并发进阶二

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Java面试准备之并发进阶二

介绍一下 Atomic 原子类

所谓原子类说简单点就是具有原子/原子操作特征的类。

并发包 java.util.concurrent 的原子类都存放在java.util.concurrent.atomic下,如下图所示。

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JUC 包中的原子类是哪 4 类?

基本类型

使用原子的方式更新基本类型

  • AtomicInteger:整形原子类
  • AtomicLong:长整型原子类
  • AtomicBoolean:布尔型原子类

数组类型

使用原子的方式更新数组里的某个元素

  • AtomicIntegerArray:整形数组原子类
  • AtomicLongArray:长整形数组原子类
  • AtomicReferenceArray:引用类型数组原子类

引用类型

  • AtomicReference:引用类型原子类
  • AtomicStampedRerence:原子更新引用类型里的字段原子类
  • AtomicMarkableReference :原子更新带有标记位的引用类型

对象的属性修改类型

  • AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整形字段的更新器
  • AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整形字段的更新器
  • AtomicStampedReference:原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来,可用于解决原子的更新数据和数据的版本号,可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

讲讲 AtomicInteger 的使用

AtomicInteger 类常用方法

public final int get() //获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)//获取当前的值,并设置新的值
public final int getAndIncrement()//获取当前的值,并自增
public final int getAndDecrement() //获取当前的值,并自减
public final int getAndAdd(int delta) //获取当前的值,并加上预期的值
boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果输入的数值等于预期值,则以原子方式将该值设置为输入值(update)
public final void lazySet(int newValue)//最终设置为 newValue,使用 lazySet 设置之后可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

AtomicInteger 类的使用示例

使用 AtomicInteger 之后,不用对 increment() 方法加锁也可以保证线程安全。

class AtomicIntegerTest {
        private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
      //使用 AtomicInteger 之后,不需要对该方法加锁,也可以实现线程安全。
        public void increment() {
                  count.incrementAndGet();
        }

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

介绍一下 AtomicInteger 类的原理

AtomicInteger 线程安全原理简单分析

AtomicInteger 类的部分源码:

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates(更新操作时提供“比较并替换”的作用)
    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;

AtomicInteger 类主要利用 CAS (compare and swap) + volatile 和 native 方法来保证原子操作,从而避免 synchronized 的高开销,执行效率大为提升。

CAS 的原理是拿期望的值和原本的一个值作比较,如果相同则更新成新的值。UnSafe 类的 objectFieldOffset() 方法是一个本地方法,这个方法是用来拿到“原来的值”的内存地址,返回值是 valueOffset。另外 value 是一个 volatile 变量,在内存中可见,因此 JVM 可以保证任何时刻任何线程总能拿到该变量的最新值。

AQS 介绍

AQS 的全称为(AbstractQueuedSynchronizer),这个类在 java.util.concurrent.locks 包下面。

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AQS 是一个用来构建锁和同步器的框架,使用 AQS 能简单且高效地构造出应用广泛的同步器,比如我们提到的 ReentrantLock,Semaphore,其他的诸如 ReentrantReadWriteLock,SynchronousQueue,FutureTask 等等皆是基于 AQS 的。当然,我们自己也能利用 AQS 非常轻松容易地构造出符合我们自己需求的同步器。

AQS 原理概览

AQS中 维护了一个volatile int state(代表共享资源)和一个FIFO线程等待队列(多线程争用资源被阻塞时会进入此队列)。

这里volatile能够保证多线程下的可见性,当state=1则代表当前对象锁已经被占有,其他线程来加锁时则会失败,加锁失败的线程会被放入一个FIFO的等待队列中,比如会被UNSAFE.park()操作挂起,等待其他获取锁的线程释放锁才能够被唤醒。

另外state的操作都是通过CAS来保证其并发修改的安全性,有公平和非公平两者模式来唤醒等待的线程。

看个 AQS(AbstractQueuedSynchronizer) 原理图:

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AQS 使用一个 int 成员变量来表示同步状态,通过内置的 FIFO 队列来完成获取资源线程的排队工作。AQS 使用 CAS 对该同步状态进行原子操作实现对其值的修改。

private volatile int state;//共享变量,使用 volatile 修饰保证线程可见性

状态信息通过 protected 类型的 getState,setState,compareAndSetState 进行操作

//返回同步状态的当前值
protected final int getState() {  
        return state;
}
 // 设置同步状态的值
protected final void setState(int newState) { 
        state = newState;
}
//原子地(CAS 操作)将同步状态值设置为给定值 update 如果当前同步状态的值等于 expect(期望值)
protected final boolean compareAndSetState(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, stateOffset, expect, update);
}

推荐阅读:深入浅出java同步器AQS

AQS 对资源的共享方式

AQS 定义两种资源共享方式

  • Exclusive(独占):只有一个线程能执行,如 ReentrantLock。又可分为公平锁和非公平锁:

    公平锁:按照线程在队列中的排队顺序,先到者先拿到锁

    非公平锁:当线程要获取锁时,无视队列顺序直接去抢锁,谁抢到就是谁的

  • Share(共享):多个线程可同时执行,如 Semaphore/CountDownLatch。Semaphore、CountDownLatch、 CyclicBarrier、ReadWriteLock 我们都会在后面讲到。

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