死磕 java原子类之终结篇(面试题)
概览
原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作,这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何线程上下文切换。
原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序不可以被打乱,也不可以被切割而只执行其中的一部分,将整个操作视作一个整体是原子性的核心特征。
在java中提供了很多原子类,笔者在此主要把这些原子类分成四大类。
原子更新基本类型或引用类型
如果是基本类型,则替换其值,如果是引用,则替换其引用地址,这些类主要有:
(1)AtomicBoolean
原子更新布尔类型,内部使用int类型的value存储1和0表示true和false,底层也是对int类型的原子操作。
(2)AtomicInteger
原子更新int类型。
(3)AtomicLong
原子更新long类型。
(4)AtomicReference
原子更新引用类型,通过泛型指定要操作的类。
(5)AtomicMarkableReference
原子更新引用类型,内部使用Pair承载引用对象及是否被更新过的标记,避免了ABA问题。
(6)AtomicStampedReference
原子更新引用类型,内部使用Pair承载引用对象及更新的邮戳,避免了ABA问题。
这几个类的操作基本类似,底层都是调用Unsafe的compareAndSwapXxx()来实现,基本用法如下:
private static void testAtomicReference() { AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1); atomicInteger.incrementAndGet(); atomicInteger.getAndIncrement(); atomicInteger.compareAndSet(3, 666); System.out.println(atomicInteger.get()); AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference<>(1, 1); atomicStampedReference.compareAndSet(1, 2, 1, 3); atomicStampedReference.compareAndSet(2, 666, 3, 5); System.out.println(atomicStampedReference.getReference()); System.out.println(atomicStampedReference.getStamp()); }
原子更新数组中的元素
原子更新数组中的元素,可以更新数组中指定索引位置的元素,这些类主要有:
(1)AtomicIntegerArray
原子更新int数组中的元素。
(2)AtomicLongArray
原子更新long数组中的元素。
(3)AtomicReferenceArray
原子更新Object数组中的元素。
这几个类的操作基本类似,更新元素时都要指定在数组中的索引位置,基本用法如下:
private static void testAtomicReferenceArray() { AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(10); atomicIntegerArray.getAndIncrement(0); atomicIntegerArray.getAndAdd(1, 666); atomicIntegerArray.incrementAndGet(2); atomicIntegerArray.addAndGet(3, 666); atomicIntegerArray.compareAndSet(4, 0, 666); System.out.println(atomicIntegerArray.get(0)); System.out.println(atomicIntegerArray.get(1)); System.out.println(atomicIntegerArray.get(2)); System.out.println(atomicIntegerArray.get(3)); System.out.println(atomicIntegerArray.get(4)); System.out.println(atomicIntegerArray.get(5)); }
原子更新对象中的字段
原子更新对象中的字段,可以更新对象中指定字段名称的字段,这些类主要有:
(1)AtomicIntegerFieldUpdater
原子更新对象中的int类型字段。
(2)AtomicLongFieldUpdater
原子更新对象中的long类型字段。
(3)AtomicReferenceFieldUpdater
原子更新对象中的引用类型字段。
这几个类的操作基本类似,都需要传入要更新的字段名称,基本用法如下:
private static void testAtomicReferenceField() { AtomicReferenceFieldUpdater<User, String> updateName = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(User.class, String.class,"name"); AtomicIntegerFieldUpdater<User> updateAge = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age"); User user = new User("tong ge", 21); updateName.compareAndSet(user, "tong ge", "read source code"); updateAge.compareAndSet(user, 21, 25); updateAge.incrementAndGet(user); System.out.println(user); } private static class User { volatile String name; volatile int age; public User(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } @Override public String toString() { return "name: " + name + ", age: " + age; } }
高性能原子类
高性能原子类,是java8中增加的原子类,它们使用分段的思想,把不同的线程hash到不同的段上去更新,最后再把这些段的值相加得到最终的值,这些类主要有:
(1)Striped64
下面四个类的父类。
(2)LongAccumulator
long类型的聚合器,需要传入一个long类型的二元操作,可以用来计算各种聚合操作,包括加乘等。
(3)LongAdder
long类型的累加器,LongAccumulator的特例,只能用来计算加法,且从0开始计算。
(4)DoubleAccumulator
double类型的聚合器,需要传入一个double类型的二元操作,可以用来计算各种聚合操作,包括加乘等。
(5)DoubleAdder
double类型的累加器,DoubleAccumulator的特例,只能用来计算加法,且从0开始计算。
这几个类的操作基本类似,其中DoubleAccumulator和DoubleAdder底层其实也是用long来实现的,基本用法如下:
private static void testNewAtomic() { LongAdder longAdder = new LongAdder(); longAdder.increment(); longAdder.add(666); System.out.println(longAdder.sum()); LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator((left, right)->left + right * 2, 666); longAccumulator.accumulate(1); longAccumulator.accumulate(3); longAccumulator.accumulate(-4); System.out.println(longAccumulator.get()); }
问题
关于原子类的问题,笔者整理了大概有以下这些:
(1)Unsafe是什么?
(3)Unsafe为什么是不安全的?
(4)Unsafe的实例怎么获取?
(5)Unsafe的CAS操作?
(6)Unsafe的阻塞/唤醒操作?
(7)Unsafe实例化一个类?
(8)实例化类的六种方式?
(9)原子操作是什么?
(10)原子操作与数据库ACID中A的关系?
(11)AtomicInteger怎么实现原子操作的?
(12)AtomicInteger主要解决了什么问题?
(13)AtomicInteger有哪些缺点?
(14)ABA是什么?
(15)ABA的危害?
(16)ABA的解决方法?
(17)AtomicStampedReference是怎么解决ABA的?
(18)实际工作中遇到过ABA问题吗?
(19)CPU的缓存架构是怎样的?
(20)CPU的缓存行是什么?
(21)内存屏障又是什么?
(22)伪共享是什么原因导致的?
(23)怎么避免伪共享?
(24)消除伪共享在java中的应用?
(25)LongAdder的实现方式?
(26)LongAdder是怎么消除伪共享的?
(27)LongAdder与AtomicLong的性能对比?
(28)LongAdder中的cells数组是无限扩容的吗?
关于原子类的问题差不多就这么多,都能回答上来吗?点击下面的链接可以直接到相应的章节查看:
死磕 java原子类之AtomicStampedReference源码分析
彩蛋
原子类系列源码分析到此就结束了,虽然分析的类比较少,但是牵涉的内容非常多,特别是操作系统底层的知识,比如CPU指令、CPU缓存架构、内存屏障等。
下一章,我们将进入“同步系列”,同步最常见的就是各种锁了,这里会着重分析java中的各种锁、各种同步器以及分布式锁相关的内容。
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