前言

在使用多线程并发编程的时，经常会遇到对共享变量修改操作。此时我们可以选择ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue来进行安全地存储数据。但如果单单是涉及状态的修改，线程执行顺序问题，使用Atomic开头的原子组件或者ReentrantLock、CyclicBarrier之类的同步组件，会是更好的选择，下面将一一介绍它们的原理和用法

• 原子组件的实现原理CAS
• AtomicBoolean、AtomicIntegerArray等原子组件的用法、
• 同步组件的实现原理
• ReentrantLock、CyclicBarrier等同步组件的用法

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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

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atomicBooleanCompletableFuture<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falseatomicBoolean.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<V> 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);}}privatead8volatile 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UNSAFE

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

属性原子更新类

AtomicIntegerFieldUpdater　AtomicLongFieldUpdaterAtomicReferenceFieldUpdater

• 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(ad8String name){ this.name = name; }public volatile String name;}---------------输出结果------------------sitingsiting

累加器

Striped64LongAccumulatorLongAdder//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

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ad0//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] startThread[ForkJoinPool.commonPool-worker-5,5,main] startThread[ForkJoinPool.commonPool-worker-23,5,main] startThread[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(() ->15b0{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 overCompletableFuture overmain 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-1609822588881main 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0public 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0public 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);}}}}

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参考文章

• 并发之Striped64（l累加器）