Java原子类之AtomicReference源码分析

一、简介

AtomicReferenceAtomicInteger非常类似,不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装,而AtomicReference则对应普通的对象引用。也就是说它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

AtomicReference是作用是对"对象"进行原子操作。提供了一种读和写都是原子性的对象引用变量。原子意味着多个线程试图改变同一个AtomicReference(例如比较和交换操作)将不会使得AtomicReference处于不一致的状态。

为什么需要AtomicReference?难道多个线程同时对一个引用变量赋值也会出现并发问题?

引用变量的赋值本身没有并发问题,也就是说对于引用变量var,类似下面的赋值操作本身就是原子操作:Foo var = ... ;

AtomicReference的引入是为了可以用一种类似乐观锁的方式操作共享资源,在某些情景下以提升性能。

我们知道,当多个线程同时访问共享资源时,一般需要以加锁的方式控制并发:

volatile Foo sharedValue = value;
Lock lock = new ReentrantLock();

lock.lock();
try{
    // 操作共享资源sharedValue
}
finally{
    lock.unlock();
}

上述访问方式其实是一种对共享资源加悲观锁的访问方式。而AtomicReference提供了以无锁方式访问共享资源的能力,看看如何通过AtomicReference保证线程安全,来看个具体的例子:

public class TestAtomicRef {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicReference<Integer> ref = new AtomicReference<>(new Integer(1000));

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Thread t = new Thread(new Task(ref), "Thread-" + i);
            list.add(t);
            t.start();
        }

        for (Thread t : list) {
            t.join();
        }
        System.out.println(ref.get());    // 打印2000
    }
}

class Task implements Runnable {
    private AtomicReference<Integer> ref;

    Task(AtomicReference<Integer> ref) {
        this.ref = ref;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        for (; ; ) {    //自旋操作
            Integer oldV = ref.get();  
            if (ref.compareAndSet(oldV, oldV + 1))  // CAS操作
                break;
        }
    }
}

该示例并没有使用锁,而是使用自旋+CAS的无锁操作保证共享变量的线程安全。1000个线程,每个线程对金额增加1,最终结果为2000,如果线程不安全,最终结果应该会小于2000

通过示例,可以总结出AtomicReference的一般使用模式如下:

AtomicReference<Object> ref = new AtomicReference<>(new Object());
Object oldCache = ref.get();

// 对缓存oldCache做一些操作
Object newCache = someFunctionOfOld(oldCache); 

// 如果期间没有其它线程改变了缓存值,则更新
boolean success = ref.compareAndSet(oldCache , newCache);

上面的代码模板就是AtomicReference的常见使用方式,看下compareAndSet方法:

public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}

该方法会将入参的expect变量所指向的对象和AtomicReference中的引用对象进行比较,如果两者指向同一个对象,则将AtomicReference中的引用对象重新置为update,修改成功返回true,失败则返回false。也就是说,AtomicReference其实是比较对象的引用

二、源码分析

public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L;

    // 获取Unsafe对象,Unsafe的作用是提供CAS操作
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    
    //通过volatile关键字保证value值的可见性。
    private volatile V value;

    //使用给定的初始值创建新的AtomicReference
    public AtomicReference(V initialValue) {
        value = initialValue;
    }

    //使用null初始值创建新的AtomicReference
    public AtomicReference() {
    }
	
    //获取当前值
    public final V get() {
        return value;
    }

    //设置为给定的新值
    public final void set(V newValue) {
        value = newValue;
    }

    // 懒设置,最终设置为给定的值,newValue:给定的更新值 
    public final void lazySet(V newValue) {
        unsafe.putOrderedObject(this, valueOffset, newValue);
    }

    /**
     * 如果当前值等于预期值,则将当前值设置为给定的更新值
     * 
     * @param expect 预期值
     * @param update 更新值
     * @return boolean 是否更新成功
     */
    public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
    }

    /**
     * 如果当前值等于预期值,则以原子的方式将当前值设置为给定的更新值
     *  
     * @param expect 预期值
     * @param update 给定的更新值
     * @return boolean 是否更新成功
     */
    public final boolean weakCompareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
    }

    //使用原子的方式将值更新为给定的值,并返回更新前的值
    public final V getAndSet(V newValue) {
        return (V)unsafe.getAndSetObject(this, valueOffset, newValue);
    }

    public final V getAndUpdate(UnaryOperator<V> updateFunction) {
        V prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.apply(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }

    public final V updateAndGet(UnaryOperator<V> updateFunction) {
        V prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.apply(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }

    public final V getAndAccumulate(V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction) {
        V prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = accumulatorFunction.apply(prev, x);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }

    public final V accumulateAndGet(V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction) {
        V prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = accumulatorFunction.apply(prev, x);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }
}

AtomicReference是通过volatileUnsafe提供的CAS实现原子操作

  • value值是volatile类型
    当某个线程修改value值时,其余线程获取的值都是最新的value值,也就是修改之后的volatile
  • 通过CAS设置value
    当某个线程池通过CAS函数设置value时,操作是原子的,也就是线程在操作value时不会被中断

三、拓展

3.1 AtomicStampedReference的引入

CAS操作可能存在的问题:

CAS操作可能存在ABA的问题,就是说:
假如一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么CAS检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。

一般来讲这并不是什么问题,比如数值运算,线程其实根本不关心变量中途如何变化,只要最终的状态和预期值一样即可。但是,有些操作会依赖于对象的变化过程,此时的解决思路一般就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加一,那么A-B-A就会变成1A - 2B - 3A

AtomicStampedReference就是上面所说的加了版本号的AtomicReference

参考文章

posted @ 2022-06-28 16:53  夏尔_717  阅读(192)  评论(0编辑  收藏  举报