21 | 原子类：无锁工具类的典范

王宝令



该思维导图由 AI 生成，仅供参考

前面我们多次提到一个累加器的例子，示例代码如下。在这个例子中，add10K() 这个方法不是线程安全的，问题就出在变量 count 的可见性和 count+=1 的原子性上。可见性问题可以用 volatile 来解决，而原子性问题我们前面一直都是采用的互斥锁方案。
public class Test {
  long count = 0;
  void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count += 1;
    }
  }
}
其实对于简单的原子性问题，还有一种无锁方案。Java SDK 并发包将这种无锁方案封装提炼之后，实现了一系列的原子类。不过，在深入介绍原子类的实现之前，我们先看看如何利用原子类解决累加器问题，这样你会对原子类有个初步的认识。
在下面的代码中，我们将原来的 long 型变量 count 替换为了原子类 AtomicLong，原来的 count +=1 替换成了 count.getAndIncrement()，仅需要这两处简单的改动就能使 add10K() 方法变成线程安全的，原子类的使用还是挺简单的。
public class Test {
  AtomicLong count = 
    new AtomicLong(0);
  void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count.getAndIncrement();
    }
  }
}
无锁方案相对互斥锁方案，最大的好处就是性能。互斥锁方案为了保证互斥性，需要执行加锁、解锁操作，而加锁、解锁操作本身就消耗性能；同时拿不到锁的线程还会进入阻塞状态，进而触发线程切换，线程切换对性能的消耗也很大。 相比之下，无锁方案则完全没有加锁、解锁的性能消耗，同时还能保证互斥性，既解决了问题，又没有带来新的问题，可谓绝佳方案。那它是如何做到的呢？

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总结

原子类是并发编程中的重要工具，通过CAS指令实现原子性操作，提高了并发性能。相比互斥锁方案，无锁方案避免了加锁、解锁操作的性能消耗，同时保证了互斥性。Java SDK提供了丰富的原子类，包括原子化的基本数据类型、对象引用类型、数组、对象属性更新器和累加器。这些原子类提供了一系列方法，如原子化的加减操作、CAS操作等。无锁方案相对于互斥锁方案，优点非常多，但需要注意ABA问题。文章还介绍了原子化的对象引用类型、原子化数组、原子化对象属性更新器和原子化的累加器的相关实现。总体而言，原子类在并发编程中发挥着重要作用，但使用时需要慎之又慎。

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张天屹
如果线程1 运行到WMRange or = rf.get();停止，切换到线程2 更新了值，切换回到线程1，进入循环将永远比较失败死循环，解决方案是将读取的那一句放入循环里，CAS每次自旋必须要重新检查新的值才有意义
作者回复: 👍
2019-04-16
2
111
Geek_ebda96
老师你举的这个例子，自己实现CAS是不是有点不对 class SimulatedCAS{ volatile int count; // 实现 count+=1 addOne(){ do { newValue = count+1; //① }while(count != cas(count,newValue) //② } // 模拟实现 CAS，仅用来帮助理解 synchronized int cas( int expect, int newValue){ // 读目前 count 的值 int curValue = count; // 比较目前 count 值是否 == 期望值 if(curValue == expect){ // 如果是，则更新 count 的值 count= newValue; } // 返回写入前的值 return curValue; } } 2 这里是不是应该用oldValue来比较，在do里面的时候先把count的值用oldValue保存下来，传入的参数expected为oldValue,newValue为oldValue+1 do{ oldValue = count; newValue = oldValue + 1; }while(oldValue != cas(oldValue, newValue)) 望指正
作者回复: 你的这个写法是对的👍
2019-04-18
13
42
长脖子树
原子类在 java 层面虽然看起来是无锁的, 但是深入到操作系统和cpu层面仍然有锁比如像在多处理器计算机里常常会有一种 TSL 指令, (测试并加锁 test and set lock), 它是一种硬件支持的互斥方案, 执行这个指令的cpu将锁住内存总线, 以禁止其他CPU 在本指令结束之前访问内存这个指令类似于 intel 处理器上的 lock cmpxchg , 但在近几代的实现上, 对内存总线的锁定做了类似于分段锁的优化, 仅仅锁定部分的缓存行参考: 1. 现代操作系统 2. https://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap 3. https://stackoverflow.com/questions/11065675/lock-prefix-of-intel-instruction-what-is-the-point 4. https://cloud.tencent.com/developer/article/1189884
作者回复: 👍
2020-04-25
4
26
木卫六
首先，or=rf.get()需要放到do{}，每次需要重新获取，以防其他线程更新过导致死循环；然后，nr是new的，我觉得应该不会发生ABA的问题（reference的compareAndSet比较的是内存地址）。另外ABA问题应该容易发生在值类型上吧，引用类型的应该几乎不会发生？对于引用类型，几乎不会发生经过至少两次new对象，最后对象放在了同一块or之前使用的内存区块上吧？
作者回复: 我也觉得没有ABA问题
2019-04-16
2
12
andy
public class SafeWM { class WMRange{ final int upper; final int lower; WMRange(int upper,int lower){ // 省略构造函数实现 } } final AtomicReference<WMRange> rf = new AtomicReference<>( new WMRange(0,0) ); // 设置库存上限 void setUpper(int v){ WMRange nr; WMRange or; do{ or = rf.get(); // 检查参数合法性 if(v < or.lower){ throw new IllegalArgumentException(); } nr = new WMRange(v, or.lower); }while(!rf.compareAndSet(or, nr)); } } 这样子对吗？
作者回复: 对👍
2019-04-16
4
12
郑晨Cc
or是原始的 nr是new出来的指向不同的内存地址 compareandset的结果永远返回false 结果是死循环？是不是应该用atomicfieldreference？
作者回复: 👍，不过我觉得没必要用atomicfieldreference
2019-04-16
3
11
随风而逝
老师，这些原子操作类在分布式程序中还有效吗？
作者回复: 无效
2019-04-30
3
7
刘志兵
老师，compareAndSwapLong方法是一个native方法，比较共享变量和expect值是否相等，相等才设置新的值x, 不明白这里的对比是怎么保证原子性的，对比也是要再读一次共享变量，然后对比吧，如果先读出来之后对比的时候被其他线程修改了，那还是会有问题
作者回复: 最终依赖的是cpu提供的原子指令，不用我们操心。
2019-04-17

7
刘育飞
不明白 synchronized int cas() 这不是已经用了同步synchronized 关键字吗怎么会无锁无堵塞呢
作者回复: cas大部分都是CPU提供的指令，这里只是模拟它的原理
2019-10-17

6
忍者无敌1995
例子中的模拟CAS，cas函数是加了锁的，保证整个操作的原子性；我的理解是这个只是一个模拟，实际中肯定不会加上锁的
作者回复: 👍
2019-05-02

6

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