一、原子性的问题案例1
public class Demo3Volatile {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(demo);
t.start();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(demo.count);
}
static class VolatileDemo implements Runnable {
public volatile int count;
//public volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void run() {
addCount();
}
public void addCount() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++;
}
}
}
}
结果:48109
以上出现原子性问题的原因是count++并不是原子性操作。
count = 5 开始,流程分析:
(1)、线程1读取count的值为5
(2)、线程2读取count的值为5
(3)、线程2加1操作
(4)、线程2最新count的值为6
(5)、线程2写入值到主内存的最新值为6
这个时候,线程1的count为5,线程2的count为6。如果切换到线程1执行,那么线程1得到的结果是6,写入到主内存的值还是6,现在的情况是对count进行了两次加1操作,但是主内存实际上只是加1一次
解决方案:
(1)、使用synchronized
(2)、使用ReentrantLock(可重入锁)
(3)、使用AtomicInteger(原子操作)
使用synchronized
public class Demo3Volatile {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(demo);
t.start();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(demo.count);
}
static class VolatileDemo implements Runnable {
public volatile int count;
//public volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void run() {
addCount();
}
public synchronized void addCount() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count++;
}
}
}
}
结果:50000
使用ReentrantLock(可重入锁)
public class Demo3Volatile {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(demo);
t.start();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(demo.count);
}
static class VolatileDemo implements Runnable {
private Lock lock = new ReentrantLock();
public volatile int count;
public void run() {
addCount();
}
public void addCount() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
lock.lock();
count++;
lock.unlock();
}
}
}
}
使用AtomicInteger(原子操作)
public class Demo3Volatile {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
for (int i = 0; i < 5; i++) {
Thread t = new Thread(demo);
t.start();
}
Thread.sleep(1000);
System.out.println(demo.count);
}
static class VolatileDemo implements Runnable {
public volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public void run() {
addCount();
}
public void addCount() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
count.incrementAndGet();
}
}
}
}
结果:50000
synchronized既能保证可见性,又能保证原子性,而volatile只能保证可见性,无法保证原子性。
如果是 count ++操作,使用如下类实现:AtomicInteger count = new AtomicInteger(); count . addAndGet( 1 );
如果是 JDK 8,推荐使用 LongAdder 对象,比 AtomicLong 性能更好 ( 减少乐观锁的重试次数 ) 。
二、原子性的问题案例2
通过对 AtomicInteger、AtomicBoolean 和 AtomicLong 分析我们发现,这三个原子类只能对单个变量进行原子操作,那么我们如果要对多个变量进行原子操作,这三个类就无法实现了。
那如果要进行多个变量进行原子操作呢?操作方式就是,先把 多个变量封装成一个类,然后通过 AtomicReference 进行操作。
众所周知,对象的引用其实是一个4字节的数字,代表着在JVM堆内存中的引用地址,对一个4字节数字的读取操作和写入操作本身就是原子性的,通常情况下,我们对对象引用的操作一般都是获取该引用或者重新赋值(写入操作),我们也没有办法对对象引用的4字节数字进行加减乘除运算,那么为什么JDK要提供AtomicReference类用于支持引用类型的原子性操作呢?
案例场景:
这里通过设计一个个人银行账号资金变化的场景,逐渐引入AtomicReference的使用,该实例有些特殊,需要满足如下几点要求。
- 个人账号被设计为不可变对象,一旦创建就无法进行修改。
- 个人账号类只包含两个字段:账号名、现金数字。
- 为了便于验证,我们约定个人账号的现金只能增多而不能减少。
根据前两个要求,我们简单设计一个代表个人银行账号的Java类DebitCard,该类将被设计为不可变。
实体类
@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
public class DebitCard {
private final String name;
private final int account;
}
AtomicReferenceDemo1
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;
public class AtomicReferenceDemo1 {
// 定义为 volatile 修饰的变量
volatile static DebitCard debitCard = new DebitCard("zhangSan", 10);
public static void main(String[] args) {
IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
new Thread(() -> {
while (true){
// 读取全局的 debitCard 对象
final DebitCard debitCard1 = debitCard;
// 基于全局的 debitCard 加10构建一个新的对象
DebitCard newDc = new DebitCard(debitCard1.getName(), debitCard1.getAccount() + 10);
// 把新建的对象赋值给 全局的变量
debitCard = newDc;
System.out.println(newDc);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(20));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "T-" + i).start();
});
}
}
控制台打印结果:
DebitCard(name=zhangSan, account=30)
DebitCard(name=zhangSan, account=60)
DebitCard(name=zhangSan, account=40)
DebitCard(name=zhangSan, account=80)
DebitCard(name=zhangSan, account=50)
DebitCard(name=zhangSan, account=20)
DebitCard(name=zhangSan, account=90)
DebitCard(name=zhangSan, account=70)
DebitCard(name=zhangSan, account=110)
DebitCard(name=zhangSan, account=100)
DebitCard(name=zhangSan, account=120)
DebitCard(name=zhangSan, account=130)
DebitCard(name=zhangSan, account=140)
DebitCard(name=zhangSan, account=150)
DebitCard(name=zhangSan, account=160)
DebitCard(name=zhangSan, account=170)
DebitCard(name=zhangSan, account=180)
DebitCard(name=zhangSan, account=190)
DebitCard(name=zhangSan, account=200)
DebitCard(name=zhangSan, account=210)
DebitCard(name=zhangSan, account=220)
DebitCard(name=zhangSan, account=230)
DebitCard(name=zhangSan, account=240)
DebitCard(name=zhangSan, account=250)
DebitCard(name=zhangSan, account=260)
DebitCard(name=zhangSan, account=260)
DebitCard(name=zhangSan, account=270)
DebitCard(name=zhangSan, account=280)
DebitCard(name=zhangSan, account=290)
DebitCard(name=zhangSan, account=300)
DebitCard(name=zhangSan, account=310)
DebitCard(name=zhangSan, account=320)
DebitCard(name=zhangSan, account=330)
DebitCard(name=zhangSan, account=340)
DebitCard(name=zhangSan, account=350)
DebitCard(name=zhangSan, account=360)
根据运行结果我们发现,出现了两处存在问题的地方(上图标红的地方),这个是什么造成的呢?这就涉及到我们之前讲过的,虽然被 volatile 关键字修饰的变量每次更改都可以立即被其他线程看到,但是我们针对对象引用的修改其实至少包含了如下两个步骤,获取该引用和改变该引用 每一个步骤都是原子性的操作,但组合起来就无法保证原子性了。
解决办法1:通过加锁解决
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;
public class AtomicReferenceDemo1 {
// 定义为 volatile 修饰的变量
volatile static DebitCard debitCard = new DebitCard("zhangSan", 10);
public static void main(String[] args) {
IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
new Thread(() -> {
while (true){
synchronized (AtomicReferenceDemo1.class) {
// 读取全局的 debitCard 对象
final DebitCard debitCard1 = debitCard;
// 基于全局的 debitCard 加10构建一个新的对象
DebitCard newDc = new DebitCard(debitCard1.getName(), debitCard1.getAccount() + 10);
// 把新建的对象赋值给 全局的变量
debitCard = newDc;
System.out.println(newDc);
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(20));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}
}, "T-" + i).start();
});
}
}
结果如下:
DebitCard(name=zhangSan, account=20)
DebitCard(name=zhangSan, account=30)
DebitCard(name=zhangSan, account=40)
DebitCard(name=zhangSan, account=50)
DebitCard(name=zhangSan, account=60)
DebitCard(name=zhangSan, account=70)
DebitCard(name=zhangSan, account=80)
DebitCard(name=zhangSan, account=90)
DebitCard(name=zhangSan, account=100)
DebitCard(name=zhangSan, account=110)
DebitCard(name=zhangSan, account=120)
DebitCard(name=zhangSan, account=130)
DebitCard(name=zhangSan, account=140)
DebitCard(name=zhangSan, account=150)
DebitCard(name=zhangSan, account=160)
DebitCard(name=zhangSan, account=170)
DebitCard(name=zhangSan, account=180)
DebitCard(name=zhangSan, account=190)
DebitCard(name=zhangSan, account=200)
DebitCard(name=zhangSan, account=210)
DebitCard(name=zhangSan, account=220)
DebitCard(name=zhangSan, account=230)
DebitCard(name=zhangSan, account=240)
DebitCard(name=zhangSan, account=250)
结果发现,虽然解决了原子性的问题,但是性能非常低下,因为synchronized会阻塞。
AtomicReference的非阻塞解决方案
上面是一种阻塞式的解决方案,同一时刻只能有一个线程真正在工作,其他线程都将陷入阻塞,因此这并不是一种效率很高的解决方案,这个时候就可以利用 AtomicReference 的非阻塞原子性解决方案提供更加高效的方式了。
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.stream.IntStream;
public class AtomicReferenceDemo1 {
// 定义为 volatile 修饰的变量
// volatile static DebitCard debitCard = new DebitCard("zhangSan", 10);
static AtomicReference<DebitCard> ref = new AtomicReference(new DebitCard("zhangSan", 10));
public static void main(String[] args) {
IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
new Thread(() -> {
while (true){
// 读取全局的 debitCard 对象
// final DebitCard debitCard1 = debitCard;
DebitCard debitCard1 = ref.get();
// 基于全局的 debitCard 加10构建一个新的对象
DebitCard newDc = new DebitCard(debitCard1.getName(), debitCard1.getAccount() + 10);
// 把新建的对象赋值给 全局的变量
// debitCard = newDc;
if(ref.compareAndSet(debitCard1, newDc)){
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 当前值为: " + newDc.toString() + " " + System.currentTimeMillis());
}
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(20));
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
}, "T-" + i).start();
});
}
}
结果如下:
T-0 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=20) 1682243679165
T-7 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=60) 1682243679165
T-1 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=70) 1682243679165
T-6 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=50) 1682243679165
T-4 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=80) 1682243679166
T-3 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=40) 1682243679165
T-2 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=30) 1682243679165
T-5 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=90) 1682243679166
T-8 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=100) 1682243679166
T-9 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=110) 1682243679166
T-3 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=120) 1682243681172
T-5 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=130) 1682243682169
T-8 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=140) 1682243685175
T-6 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=150) 1682243686170
T-1 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=160) 1682243687180
T-4 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=170) 1682243689170
T-2 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=180) 1682243690180
T-1 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=190) 1682243694195
T-0 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=200) 1682243695174
T-7 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=210) 1682243695174
T-4 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=230) 1682243696185
T-0 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=220) 1682243696185
T-5 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=240) 1682243697178
T-0 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=250) 1682243697194
T-3 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=260) 1682243698174
T-7 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=270) 1682243698189
T-6 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=280) 1682243699184
T-1 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=290) 1682243699199
T-8 当前值为: DebitCard(name=zhangSan, account=300) 1682243701178