Java中如何使用原子组件和同步组件

Java中如何使用原子组件和同步组件，针对这个问题，这篇文章详细介绍了相对应的分析和解答，希望可以帮助更多想解决这个问题的小伙伴找到更简单易行的方法。

原子组件的实现原理CAS

• cas的底层实现可以看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现[1]

应用场景

• 可用来实现变量、状态在多线程下的原子性操作

• 可用于实现同步锁(ReentrantLock)

原子组件

• 原子组件的原子性操作是靠使用cas来自旋操作volatile变量实现的

• volatile的类型变量保证变量被修改时，其他线程都能看到最新的值

• cas则保证value的修改操作是原子性的，不会被中断

基本类型原子类

AtomicBoolean //布尔类型 AtomicInteger //正整型数类型 AtomicLong   //长整型类型

使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(false);     //异步线程修改atomicBoolean     CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() ->{         try {             Thread.sleep(1000); //保证异步线程是在主线程之后修改atomicBoolean为false             atomicBoolean.set(false);         }catch (Exception e){             throw new RuntimeException(e);         }     });     atomicBoolean.set(true);     future.join();     System.out.println("boolean value is:"+atomicBoolean.get()); } ---------------输出结果------------------ boolean value is:false

引用类原子类

AtomicReference //加时间戳版本的引用类原子类 AtomicStampedReference //相当于AtomicStampedReference，AtomicMarkableReference关心的是 //变量是否还是原来变量，中间被修改过也无所谓 AtomicMarkableReference

• AtomicReference的源码如下，它内部定义了一个volatile V  value，并借助VarHandle(具体子类是FieldInstanceReadWrite)实现原子操作，MethodHandles会帮忙计算value在类的偏移位置，最后在VarHandle调用Unsafe.public  final native boolean compareAndSetReference(Object o, long offset, Object  expected, Object x)方法原子修改对象的属性

public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable {     private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L;     private static final VarHandle VALUE;     static {         try {             MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();             VALUE = l.findVarHandle(AtomicReference.class, "value", Object.class);         } catch (ReflectiveOperationException e) {             throw new ExceptionInInitializerError(e);         }     }     private volatile V value;     ....

ABA问题

• 线程X准备将变量的值从A改为B，然而这期间线程Y将变量的值从A改为C，然后再改为A;最后线程X检测变量值是A，并置换为B。但实际上，A已经不再是原来的A了

• 解决方法，是把变量定为唯一类型。值可以加上版本号，或者时间戳。如加上版本号，线程Y的修改变为A1->B2->A3，此时线程X再更新则可以判断出A1不等于A3

• AtomicStampedReference的实现和AtomicReference差不多，不过它原子修改的变量是volatile Pair

  pair;，Pair是其内部类。AtomicStampedReference可以用来解决ABA问题

public class AtomicStampedReference<V> {     private static class Pair<T> {         final T reference;         final int stamp;         private Pair(T reference, int stamp) {             this.reference = reference;             this.stamp = stamp;         }         static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {             return new Pair<T>(reference, stamp);         }     }     private volatile Pair<V> pair;

• 如果我们不关心变量在中间过程是否被修改过，而只是关心当前变量是否还是原先的变量，则可以使用AtomicMarkableReference

• AtomicStampedReference的使用示例

public class Main {     public static void main(String[] args) throws Exception {         Test old = new Test("hello"), newTest = new Test("world");         AtomicStampedReference<Test> reference = new AtomicStampedReference<>(old, 1);         reference.compareAndSet(old, newTest,1,2);         System.out.println("对象："+reference.getReference().name+";版本号："+reference.getStamp());     } } class Test{     Test(String name){ this.name = name; }     public String name; } ---------------输出结果------------------ 对象：world;版本号：2

数组原子类

AtomicIntegerArray //整型数组  AtomicLongArray //长整型数组  AtomicReferenceArray //引用类型数组

• 数组原子类内部会初始一个final的数组，它把整个数组当做一个对象，然后根据下标index计算法元素偏移量，再调用UNSAFE.compareAndSetReference进行原子操作。数组并没被volatile修饰，为了保证元素类型在不同线程的可见，获取元素使用到了UNSAFEpublic  native Object getReferenceVolatile(Object o, long offset)方法来获取实时的元素值

• 使用示例

//元素默认初始化为0 AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(2); // 下标为０的元素，期待值是0，更新值是１ array.compareAndSet(0,0,1); System.out.println(array.get(0)); ---------------输出结果------------------ 1

属性原子类

AtomicIntegerFieldUpdater  AtomicLongFieldUpdater AtomicReferenceFieldUpdater

• 如果操作对象是某一类型的属性，可以使用AtomicIntegerFieldUpdater原子更新，不过类的属性需要定义成volatile修饰的变量，保证该属性在各个线程的可见性，否则会报错

• 使用示例

public class Main {     public static void main(String[] args) {         AtomicReferenceFieldUpdater<Test,String> fieldUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Test.class,String.class,"name");         Test test = new Test("hello world");         fieldUpdater.compareAndSet(test,"hello world","siting");         System.out.println(fieldUpdater.get(test));         System.out.println(test.name);     } } class Test{     Test(String name){ this.name = name; }     public volatile String name; } ---------------输出结果------------------ siting siting

累加器

Striped64 LongAccumulator LongAdder //accumulatorFunction：运算规则，identity：初始值 public LongAccumulator(LongBinaryOperator accumulatorFunction,long identity)

• LongAccumulator和LongAdder都继承于Striped64，Striped64的主要思想是和ConcurrentHashMap有点类似，分段计算，单个变量计算并发性能慢时，我们可以把数学运算分散在多个变量，而需要计算总值时，再一一累加起来

• LongAdder相当于LongAccumulator一个特例实现

• LongAccumulator的示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator(Long::sum, 0);     for(int i=0;i<100000;i++){         CompletableFuture.runAsync(() -> accumulator.accumulate(1));     }     Thread.sleep(1000); //等待全部CompletableFuture线程执行完成，再获取     System.out.println(accumulator.get()); } ---------------输出结果------------------ 100000

同步组件的实现原理

java的多数同步组件会在内部维护一个状态值，和原子组件一样，修改状态值时一般也是通过cas来实现。而状态修改的维护工作被Doug  Lea抽象出AbstractQueuedSynchronizer(AQS)来实现

AQS的原理可以看下之前写的一篇文章:详解锁原理，synchronized、volatile+cas底层实现[2]

同步组件

ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock

• ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock都是基于AQS(AbstractQueuedSynchronizer)实现的。因为它们有公平锁和非公平锁的区分，因此没直接继承AQS，而是使用内部类去继承，公平锁和非公平锁各自实现AQS，ReentrantLock、ReentrantReadWriteLock再借助内部类来实现同步

• ReentrantLock的使用示例

ReentrantLock lock = new ReentrantLock(); if(lock.tryLock()){     //业务逻辑     lock.unlock(); }

• ReentrantReadWriteLock的使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     ReentrantReadWriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock();     if(lock.readLock().tryLock()){ //读锁         //业务逻辑         lock.readLock().unlock();     }     if(lock.writeLock().tryLock()){ //写锁         //业务逻辑         lock.writeLock().unlock();     } }

Semaphore实现原理和使用场景

• Semaphore和ReentrantLock一样，也有公平和非公平竞争锁的策略，一样也是通过内部类继承AQS来实现同步

• 通俗解释：假设有一口井，最多有三个人的位置打水。每有一个人打水，则需要占用一个位置。当三个位置全部占满时，第四个人需要打水，则要等待前三个人中一个离开打水位，才能继续获取打水的位置

• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     Semaphore semaphore = new Semaphore(2);     for (int i = 0; i < 3; i++)         CompletableFuture.runAsync(() -> {             try {                 System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " start ");                 if(semaphore.tryAcquire(1)){                     Thread.sleep(1000);                     semaphore.release(1);                     System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 无阻塞结束 ");                 }else {                     System.out.println(Thread.currentThread().toString() + " 被阻塞结束 ");                 }             } catch (Exception e) {                 throw new RuntimeException(e);             }         });     //保证CompletableFuture 线程被执行，主线程再结束     Thread.sleep(2000); } ---------------输出结果------------------ Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] start  Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] start  Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] start  Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] 被阻塞结束  Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] 无阻塞结束  Thread[ForkJoinPool.commonPool-worker-19,5,main] 无阻塞结束

可以看出三个线程，因为信号量设定为2，第三个线程是无法获取信息成功的，会打印阻塞结束

CountDownLatch实现原理和使用场景

• CountDownLatch也是靠AQS实现的同步操作

• 通俗解释：玩游戏时，假如主线任务需要靠完成五个小任务，主线任务才能继续进行时。此时可以用CountDownLatch，主线任务阻塞等待，每完成一小任务，就done一次计数，直到五个小任务全部被执行才能触发主线

• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     CountDownLatch count = new CountDownLatch(2);     for (int i = 0; i < 2; i++)         CompletableFuture.runAsync(() -> {             try {                 Thread.sleep(1000);                 System.out.println(" CompletableFuture over ");                 count.countDown();             } catch (Exception e) {                 throw new RuntimeException(e);             }         });     //等待CompletableFuture线程的完成     count.await();     System.out.println(" main over "); } ---------------输出结果------------------  CompletableFuture over   CompletableFuture over   main over

CyclicBarrier实现原理和使用场景

• CyclicBarrier则是靠ReentrantLock lock和Condition trip属性来实现同步

• 通俗解释：CyclicBarrier需要阻塞全部线程到await状态，然后全部线程再全部被唤醒执行。想象有一个栏杆拦住五只羊，需要当五只羊一起站在栏杆时，栏杆才会被拉起，此时所有的羊都可以飞跑出羊圈

• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     CyclicBarrier barrier = new CyclicBarrier(2);     CompletableFuture.runAsync(()->{         try {             System.out.println("CompletableFuture run start-"+ Clock.systemUTC().millis());             barrier.await(); //需要等待main线程也执行到await状态才能继续执行             System.out.println("CompletableFuture run over-"+ Clock.systemUTC().millis());         }catch (Exception e){             throw new RuntimeException(e);         }     });     Thread.sleep(1000);     //和CompletableFuture线程相互等待     barrier.await();     System.out.println("main run over!"); } ---------------输出结果------------------ CompletableFuture run start-1609822588881 main run over! CompletableFuture run over-1609822589880

StampedLock

• StampedLock不是借助AQS，而是自己内部维护多个状态值，并配合cas实现的

• StampedLock具有三种模式：写模式、读模式、乐观读模式

• StampedLock的读写锁可以相互转换

//获取读锁，自旋获取，返回一个戳值 public long readLock() //尝试加读锁，不成功返回0 public long tryReadLock() //解锁 public void unlockRead(long stamp)  //获取写锁，自旋获取，返回一个戳值 public long writeLock() //尝试加写锁，不成功返回0 public long tryWriteLock() //解锁 public void unlockWrite(long stamp) //尝试乐观读读取一个时间戳，并配合validate方法校验时间戳的有效性 public long tryOptimisticRead() //验证stamp是否有效 public boolean validate(long stamp)

• 使用示例

public static void main(String[] args) throws Exception {     StampedLock stampedLock = new StampedLock();     long stamp = stampedLock.tryOptimisticRead();     //判断版本号是否生效     if (!stampedLock.validate(stamp)) {         //获取读锁，会空转         stamp = stampedLock.readLock();         long writeStamp = stampedLock.tryConvertToWriteLock(stamp);         if (writeStamp != 0) { //成功转为写锁             //fixme 业务操作             stampedLock.unlockWrite(writeStamp);         } else {             stampedLock.unlockRead(stamp);             //尝试获取写读             stamp = stampedLock.tryWriteLock();             if (stamp != 0) {                 //fixme 业务操作                 stampedLock.unlockWrite(writeStamp);             }         }     } }

关于Java中如何使用原子组件和同步组件问题的解答就分享到这里了，希望以上内容可以对大家有一定的帮助，如果你还有很多疑惑没有解开，可以关注亿速云行业资讯频道了解更多相关知识。