原子类之原子引用

一、概述

为什么需要原子引用类型？

保证引用类型的共享变量是线程安全的。

基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用引用类型原子类。

• AtomicReference：引用类型原子类；

• AtomicStampedRerence：原子更新带有版本号的引用类型；

  该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

• AtomicMarkableReference ：原子更新带有标记的引用类型。

  该类将 boolean 标记与引用关联起来，也可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

二、取款示例

先做一个不使用 AtomicReference 取款的不安全实现

• 取款案例

import java.math.BigDecimal;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/5
 * Description 取款案例
 */
public interface DecimalAccount {

    // 获取余额
    BigDecimal getBalance();

    //取款
    void withdraw(BigDecimal amount);

    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(DecimalAccount account){
        List<Thread> threadList = new ArrayList<>();

        for (int i = 0; i < 1000; i++){
            threadList.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        threadList.forEach(Thread::start);
        threadList.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

不安全实现

import java.math.BigDecimal;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/5
 * Description 不安全实现
 */
public class Test04 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountUnsafe(new BigDecimal("10000")));
    }
}

class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount{
    BigDecimal balance;

    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance){
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
        // 减法
        this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}

运行结果

3850

安全实现-加锁

import java.math.BigDecimal;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/5
 * Description 安全实现-加锁
 */
public class Test05 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountSafeLock(new BigDecimal("10000")));
    }
}

class DecimalAccountSafeLock implements DecimalAccount {
    private final Object lock = new Object();
    BigDecimal balance;

    public DecimalAccountSafeLock(BigDecimal balance){
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        synchronized (lock) {
            BigDecimal balance = this.getBalance();
            this.balance = balance.subtract(amount);
        }
    }
}

运行结果

0

安全实现-CAS

在AtomicReference类中，存在一个value类型的变量，保存对BigDecimal对象的引用。

import java.math.BigDecimal;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/6
 * Description 安全实现-CAS
 */
public class Test06 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountSafeCas(new BigDecimal("10000")));
    }
}

class DecimalAccountSafeCas implements DecimalAccount {

    AtomicReference<BigDecimal> reference;

    public DecimalAccountSafeCas(BigDecimal balance) {
        reference = new AtomicReference<>(balance);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return reference.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = reference.get();
            // 注意：这里的balance返回的是一个新的对象，即 pre!=next
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (reference.compareAndSet(prev,next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

运行结果

0

三、ABA 问题

3.1 概述

因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

3.2 示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

import static site.weiyikai.concurrent.utils.Sleeper.sleep;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/6
 * Description ABA问题
 */
@Slf4j(topic = "c.Test07")
public class Test07 {
    static AtomicReference<String> reference = new AtomicReference<>("A");

    public static void main(String[] args) {
        log.debug("main start...");
        //获取值A
        //这个共享变量被其它线程修改过?
        String prev = reference.get();
        other();
        sleep(1);
        //尝试改为C
        log.debug("change A -> C {}",reference.compareAndSet(prev,"C"));
    }

    private static void other(){
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A -> B {}",reference.compareAndSet(reference.get(),"B"));
        },"t1").start();

        sleep(0.5);

        new Thread(() -> {
            log.debug("change B -> A {}",reference.compareAndSet(reference.get(),"A"));
        },"t2").start();
    }
}

运行结果

16:04:35.527 [main] DEBUG c.Test07 - main start...
16:04:35.582 [t1] DEBUG c.Test07 - change A -> B true
16:04:36.084 [t2] DEBUG c.Test07 - change B -> A true
16:04:37.084 [main] DEBUG c.Test07 - change A -> C true

主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况。

如果主线程希望, 只要有其它线程变动过共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，需要再加一个版本号。

四、ABA问题解决

4.1 AtomicStampedReference

Java提供了AtomicStampedReference来解决。AtomicStampedReference通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题。

AtomicStampedReference的compareAndSet()方法定义如下：

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
                             V   newReference,
                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

参数说明

• expectedReference：预期引用；
• newReference：更新后的引用；
• expectedStamp：预期标志；
• newStamp：更新后的标志。

如果更新后的引用和标志和当前的引用和标志相等则直接返回true，否则通过Pair生成一个新的pair对象与当前pair CAS替换。

Pair为AtomicStampedReference的内部类，主要用于记录引用和版本戳信息（标识），定义如下：

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;

Pair记录着对象的引用和版本戳，版本戳为int型，保持自增。

同时Pair是一个不可变对象，其所有属性全部定义为final，对外提供一个of方法，该方法返回一个新建的Pari对象。pair对象定义为volatile，保证多线程环境下的可见性。在AtomicStampedReference中，大多方法都是通过调用Pair的of方法来产生一个新的Pair对象，然后赋值给变量pair。

如set方法：

public void set(V newReference, int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    if (newReference != current.reference || newStamp != current.stamp)
        this.pair = Pair.of(newReference, newStamp);
}

4.2 使用AtomicStampedReference解决ABA问题

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

import static site.weiyikai.concurrent.utils.Sleeper.sleep;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/6
 * Description AtomicStampedReference
 */
@Slf4j(topic = "c.Test08")
public class Test08 {
    static AtomicStampedReference<String>  reference = new AtomicStampedReference<>("A",0);

    public static void main(String[] args) {
        log.debug("main start...");
        //获取值 A
        String prev = reference.getReference();
        // 获取版本号
        int stamp = reference.getStamp();
        log.debug("版本{}",stamp);
        // 如果中间有其它线程干扰,发生了ABA现象
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", reference.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }

    private static void other() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", reference.compareAndSet(reference.getReference(), "B", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", reference.getStamp());
        },"t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", reference.compareAndSet(reference.getReference(), "A", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", reference.getStamp());
        }, "t2").start();
    }
}

运行结果

16:36:35.347 [main] DEBUG c.Test08 - main start...
16:36:35.349 [main] DEBUG c.Test08 - 版本0
16:36:35.403 [t1] DEBUG c.Test08 - change A->B true
16:36:35.404 [t1] DEBUG c.Test08 - 更新版本为 1
16:36:35.905 [t2] DEBUG c.Test08 - change B->A true
16:36:35.905 [t2] DEBUG c.Test08 - 更新版本为 2
16:36:36.905 [main] DEBUG c.Test08 - change A->C false

分析

main线程最初的版本号是0，main线程在修改值之前，已经被其他线程修改了2个版本，等到main线程修改时发现版本号不一致了，所以修改值失败。

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如： A -> B -> A -> C ，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

4.3 AtomicMarkableReference解决ABA问题

有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了 AtomicMarkableReference

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

import static site.weiyikai.concurrent.utils.Sleeper.sleep;

/**
 * Created by xiaowei
 * Date 2022/11/6
 * Description AtomicMarkableReference解决ABA问题
 */
@Slf4j(topic = "c.TestAtomicMarkableReference")
public class TestAtomicMarkableReference {
    static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", false);

    public static void main(String[] args){
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        String prev = ref.getReference();
        log.debug("是否被改过 {}", ref.isMarked());
        // 如果中间有其它线程干扰，发生了 ABA 现象
        other();
        sleep(1);
        // 尝试改为 C
        log.debug("能否 change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C", false, true));
    }

    private static void other() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", false, true));
            log.debug("修改A->B {}", ref.isMarked());
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", true, true));
            log.debug("修改B->A {}", ref.isMarked());
        }, "t1").start();
    }
}

运行结果

16:40:25.278 [main] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - main start...
16:40:25.280 [main] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - 是否被改过 false
16:40:25.336 [t1] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - change A->B true
16:40:25.337 [t1] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - 修改A->B true
16:40:25.337 [t1] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - change B->A true
16:40:25.337 [t1] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - 修改B->A true
16:40:26.337 [main] DEBUG c.TestAtomicMarkableReference - 能否 change A->C false