死磕 java原子类之终结篇(面试题)
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死磕 java原子类之终结篇(面试题)
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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。

atomic

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魔法类之Unsafe解析

死磕 java原子类之AtomicInteger源码分析

死磕 java原子类之AtomicStampedReference源码分析

杂谈 什么是伪共享(false sharing)?

死磕 java原子类之LongAdder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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