（十二） 共享模型之无锁【原子整数、原子引用、原子数组】

一、原子整数

J.U.C 并发包提供了：

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

public class Test34 {
    public static void main(String[] args) {
 
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
 
        // 获取并自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
        System.out.println(i.getAndIncrement());
        // 自增并获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
        System.out.println(i.incrementAndGet());
 
        // 自减并获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
        System.out.println(i.decrementAndGet());
        // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
        System.out.println(i.getAndDecrement());
 
        // 获取并加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
        System.out.println(i.getAndAdd(5));
        // 加值并获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
        System.out.println(i.addAndGet(-5));
 
        // 获取并更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
 
        // 更新并获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
 
        // 获取并计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
        // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
        System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
 
        // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 0, 返回 0）
        // 其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
    }
}

二、原子引用

J.U.C 并发包提供了：

AtomicReference

AtomicMarkableReference

AtomicStampedReference

1. 安全实现-使用 CAS

@Slf4j(topic = "c.Test35")
public class Test35 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountCas(new BigDecimal("10000")));
    }
}
 
class DecimalAccountCas implements DecimalAccount {
    private AtomicReference balance;
 
    public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
//        this.balance = balance;
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }
 
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance.get();
    }
 
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while(true) {
            BigDecimal prev = balance.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}
 
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 ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

2. ABA 问题及解决

@Slf4j(topic = "c.Test36")
public class Test36 {
    static AtomicReference ref = new AtomicReference<>("A");
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        // 这个共享变量被其他线程修改过
        String prev = ref.get();
        other();
        sleep(5);
        // 尝试改为 C
        log.debug("change A->C {}", ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }
 
    private static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B", ref.compareAndSet(ref.get() ,"B"));
        }, "t1").start();
        sleep( 1);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A", ref.compareAndSet(ref.get() ,"A"));
        }, "t2").start();
    }
}

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【动过了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号

3. AtomicStampedReference

@Slf4j(topic = "c.Test36")
public class Test36 {
 
    static AtomicStampedReference ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        // 获取值 A
        String prev = ref.getReference();
        // 获取版本号
        int stamp = ref.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 {}", ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }
 
    private static void other() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("change A->B {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t1").start();
        sleep(0.5);
        new Thread(() -> {
            log.debug("change B->A {}", ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            log.debug("更新版本为 {}", ref.getStamp());
        }, "t2").start();
    }
}

4. AtomicMarkableReference

但是有时候，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

@Slf4j(topic = "c.Test38")
public class Test38 {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
 
        log.debug("start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
 
        new Thread(() -> {
            log.debug("start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            ref.compareAndSet(bag, bag, true, false);
            log.debug(bag.toString());
        },"保洁阿姨").start();
 
        sleep(1);
        log.debug("想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}
 
class GarbageBag {
    String desc;
 
    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
 
    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
 
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
}

三、原子数组

J.U.C 并发包提供了：

AtomicIntegerArray

AtomicLongArray

AtomicReferenceArray

public class Test39 {
 
    public static void main(String[] args) {
        demo(
                ()->new int[10],
                (array)->array.length,
                (array, index) -> array[index]++,
                array-> System.out.println(Arrays.toString(array))
        );
 
        demo(
                ()-> new AtomicIntegerArray(10),
                (array) -> array.length(),
                (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
                array -> System.out.println(array)
        );
    }
 
    /**
     参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
     参数2，获取数组长度的方法
     参数3，自增方法，回传 array, index
     参数4，打印数组的方法
     */
    // supplier 提供者 无中生有  ()->结果
    // function 函数   一个参数一个结果   (参数)->结果  ,  BiFunction (参数1,参数2)->结果
    // consumer 消费者 一个参数没结果  (参数)->void,      BiConsumer (参数1,参数2)->
    private static  void demo(
            Supplier arraySupplier,
            Function lengthFun,
            BiConsumer putConsumer,
            Consumer printConsumer ) {
        List ts = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFun.apply(array);
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 每个线程对数组作 10000 次操作
            ts.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    putConsumer.accept(array, j%length);
                }
            }));
        }
 
        ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });     // 等所有线程结束
        printConsumer.accept(array);
    }
}