多线程第六讲

原子类

 

1、原子类和CAS

在编程领域里，原子性意味着“一组操作要么全都操作成功，要么全都失败，不能只操作成功其中的一部分”。而 java.util.concurrent.atomic 下的类，就是具有原子性的类，可以原子性地执行添加、递增、递减等操作。比如之前多线程下的线程不安全的 i++ 问题，到了原子类这里，就可以用功能相同且线程安全的 getAndIncrement 方法来优雅地解决。

原子类的作用和锁有类似之处，是为了保证并发情况下线程安全。不过原子类相比于锁，有一定的优势：

粒度更细：原子变量可以把竞争范围缩小到变量级别，通常情况下，锁的粒度都要大于原子变量的粒度。
效率更高：除了高度竞争的情况之外，使用原子类的效率通常会比使用同步互斥锁的效率更高，因为原子类底层利用了 CAS 操作，不会阻塞线程。

2、原子类高并发下性能问题

在并发度高的情况下，原子类会触发多次的CAS，我们可以看到在这个图中，每一个线程是运行在自己的 core 中的，并且它们都有一个本地内存是自己独用的。在本地内存下方，有两个 CPU 核心共用的共享内存。这样一来，每一次它的数值有变化的时候，它都需要进行 flush 和 refresh。由于竞争很激烈，这样的 flush 和 refresh 操作耗费了很多资源，而且 CAS 也会经常失败。

3、原子类和volatile

 volatile保证了可见性 ，无法保证原子性 。需要用同步来解决原子性问题的话，那么可以使用原子变量，而不能使用 volatile 关键字。通常情况下，volatile 可以用来修饰 boolean 类型的标记位，因为对于标记位来讲，直接的赋值操作本身就是具备原子性的，再加上 volatile 保证了可见性，那么就是线程安全的了（后面会详细讲解volatile）。

4、原子类和和synchronized

原理的不同。

我们之前分析了 synchronized 背后的 monitor 锁，也就是 synchronized 原理。

而原子类，它保证线程安全的原理是利用了 CAS 操作。

使用范围的不同。

原子类仅仅是一个对象，不够灵活。synchronized 可以修饰一个方法，也可以修饰一段代码。

性能的区别(悲观锁和乐观锁的区别)

synchronized 是一种典型的悲观锁，而原子类利用的是乐观锁。所以，我们在比较 synchronized 和 AtomicInteger 的时候，其实也就相当于比较了悲观锁和乐观锁的区别(之前有介绍)。

5、Java8中的Adder和Accumulator

在 JDK 8 中又新增了Adder 这个类，

以LongAdder为例，它 引入了分段累加的概念，内部一共有两个参数参与计数：第一个叫作 base，它是一个变量，第二个是 Cell[] ，是一个数组。竞争不激烈的情况下的，通过修改base 变量来实现。一旦竞争激烈，各个线程会分散累加到自己所对应的那个 Cell[] 数组的某一个对象中。这样一来，LongAdder 会把不同线程对应到不同的 Cell 上进行修改，降低了冲突的概率，这是一种分段的理念，提高了并发性。竞争激烈的时候，LongAdder 会通过计算出每个线程的 hash 值来给线程分配到不同的 Cell 上去，每个 Cell 相当于是一个独立的计数器，这样一来就不会和其他的计数器干扰，Cell 之间并不存在竞争关系，所以在自加的过程中，就大大减少了刚才的 flush 和 refresh，以及降低了冲突的概率，这就是为什么 LongAdder 的吞吐量比 AtomicLong 大的原因，本质是空间换时间，因为它有多个计数器同时在工作，所以占用的内存也要相对更大一些。

Accumulator 和 Adder 非常相似，实际上 Accumulator 就是一个更通用版本的 Adder，比如 LongAccumulator 是 LongAdder 的功能增强版，因为 LongAdder 的 API 只有对数值的加减，而 LongAccumulator 提供了自定义的函数操作。