Java并发编程之原子引用

一、AtomicReference

1. 核心功能

• 原子更新对象引用：确保对引用变量的修改（如赋值、交换）是线程安全的。
• 适用场景：单变量的原子操作，无需关心引用被修改的历史状态。

2. 代码示例：无锁栈实现

public class ConcurrentStack<T> {
    private AtomicReference<Node<T>> top = new AtomicReference<>();

    public void push(T item) {
        Node<T> newHead = new Node<>(item);
        Node<T> oldHead;
        do {
            oldHead = top.get();
            newHead.next = oldHead;
        } while (!top.compareAndSet(oldHead, newHead)); // CAS更新栈顶
    }

    public T pop() {
        Node<T> oldHead;
        Node<T> newHead;
        do {
            oldHead = top.get();
            if (oldHead == null) return null;
            newHead = oldHead.next;
        } while (!top.compareAndSet(oldHead, newHead)); // CAS弹出栈顶
        return oldHead.item;
    }

    private static class Node<T> {
        final T item;
        Node<T> next;
        Node(T item) { this.item = item; }
    }
}

3. 局限性

• ABA问题：若引用从A→B→A，CAS无法感知中间状态变化，可能导致逻辑错误。

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二、AtomicStampedReference

1. 核心功能

• 解决ABA问题：通过关联一个int类型的版本号（Stamp），跟踪引用的修改次数。
• 适用场景：需要严格检测引用是否被修改过的场景（如无锁链表、队列）。

2. 代码示例：ABA问题防护

public class ABADemo {
    private AtomicStampedReference<String> ref = 
        new AtomicStampedReference<>("A", 0); // 初始值"A"，版本号0

    public void update() {
        int[] stampHolder = new int[1];
        String current = ref.get(stampHolder); // 获取当前值和版本号
        int newStamp = stampHolder[0] + 1;
        // 更新值并增加版本号
        ref.compareAndSet(current, "B", stampHolder[0], newStamp);
    }

    public boolean isModified() {
        return ref.getStamp() > 0; // 通过版本号判断是否被修改过
    }
}

3. 实现机制

• 内部存储：一个对象引用 + 一个int版本号，两者绑定更新。
• 原子操作：同时比较引用和版本号，确保二者均符合预期才更新。

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三、AtomicMarkableReference

1. 核心功能

• 简化状态追踪：通过一个boolean标记位记录引用是否被修改过。
• 适用场景：仅需知道引用是否变化，无需精确版本号的场景（如资源状态标记）。

2. 代码示例：缓存失效标记

public class Cache<T> {
    private AtomicMarkableReference<T> data = 
        new AtomicMarkableReference<>(null, false); // 初始无数据，标记为未失效

    // 更新缓存并标记为有效
    public void updateCache(T newData) {
        data.set(newData, true); // 设置新数据，标记为有效
    }

    // 检查缓存是否有效（未被失效）
    public T getCache() {
        boolean[] markHolder = { false };
        T value = data.get(markHolder);
        return markHolder[0] ? value : null; // 仅返回有效数据
    }
}

3. 实现机制

• 内部存储：一个对象引用 + 一个boolean标记位，两者绑定更新。
• 原子操作：同时比较引用和标记位，确保二者均符合预期才更新。