原创

Java多线程进阶(十六)—— J.U.C之atomic框架:FieldUpdater

一、什么是FieldUpdater

java.util.concurrent.atomic包中,由三个比较特殊的原子类:AtomicIntegerFieldUpdaterAtomicLongFieldUpdaterAtomicReferenceFieldUpdater
通过名称可以看到,这几类的功能大致相同,只是针对的类型有所不同。

所谓AtomicXXXFieldUpdater,就是可以以一种线程安全的方式操作非线程安全对象的某些字段。光这么说有点难理解,我们通过一个例子来看下。

假设有一个公司账户Account,100个人同时往里面存钱1块钱,那么正常情况下,最终账户的总金额应该是100。

先来看下线程不安全的方式:

账户类:

class Account {
    private volatile int money;

    Account(int initial) {
        this.money = initial;
    }

    public void increMoney() {
        money++;
    }

    public int getMoney() {
        return money;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Account{" +
            "money=" + money +
            '}';
    }
}

调用类:

public class FieldUpdaterTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account account = new Account(0);  // 初始金额0

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread t = new Thread(new Task(account));
            list.add(t);
            t.start();
        }

        for (Thread t : list) {            // 等待所有线程执行完成
            t.join();
        }

        System.out.println(account.toString());
    }


    private static class Task implements Runnable {
        private Account account;

        Task(Account account) {
            this.account = account;
        }

        @Override
        public void run() {
            account.increMoney();         // 增加账户金额
        }
    }
}

上述未对Account做并发控制,最终账户金额很可能小于100
按照之前学习的atomic框架,可以将Account类的int类型字段改为AtomicInteger,或者在Task任务类中,将所有涉及到共享变量的地方都加锁访问。

那么,还有没有其它解决方式?

本章开头我们讲到,AtomicXXXFieldUpdater可以以一种线程安全的方式操作非线程安全对象的某些字段
这里,Account就是非线程安全对象,money就是需要操作的字段。

我们来对上述代码进行改造:

账户类Account改造:

class Account {
    private volatile int money;
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<Account> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Account.class, "money");  // 引入AtomicIntegerFieldUpdater

    Account(int initial) {
        this.money = initial;
    }

    public void increMoney() {
        updater.incrementAndGet(this);    // 通过AtomicIntegerFieldUpdater操作字段
    }

    public int getMoney() {
        return money;
    }

    @Override
    public String toString() {
        return "Account{" +
            "money=" + money +
            '}';
    }
}

调用方,并未做任何改变:

public class FieldUpdaterTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Account account = new Account(0);

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread t = new Thread(new Task(account));
            list.add(t);
            t.start();
        }

        for (Thread t : list) {
            t.join();
        }

        System.out.println(account.toString());
    }

    private static class Task implements Runnable {
        private Account account;

        Task(Account account) {
            this.account = account;
        }

        @Override
        public void run() {
            account.increMoney();
        }
    }
}

上述代码,无论执行多少次,最终结果都是“100”,因为这回是线程安全的。

对比下改造,可以发现,AtomicIntegerFiledUpdater的引入,使得我们可以在不修改用户代码(调用方)的情况下,就能实现并发安全性

唯一的改变之处就是Account内部的改造:
img

这也是AtomicXXXFieldUpdater引入的一个重要原因,单纯从功能上来讲,能用AtomicXXXFieldUpdater实现的并发控制,同步器和其它原子类都能实现,但是使用AtomicXXXFieldUpdater,符合面向对象设计的一个基本原则——开闭原则,尤其是对一些遗留代码的改造上。

另外,使用AtomicXXXFieldUpdater,不需要进行任何同步处理,单纯的使用CAS+自旋操作就可以实现同步的效果。这也是整个atomic包的设计理念之一。

二、AtomicReferenceFieldUpdater原理

AtomicIntegerFieldUpdaterAtomicLongFieldUpdaterAtomicReferenceFieldUpdater这三个类大同小异,AtomicIntegerFieldUpdater只能处理int原始类型的字段,AtomicLongFieldUpdater只能处理long原始类型的字段,AtomicReferenceFieldUpdater可以处理所有引用类型的字段。

本节以AtomicReferenceFieldUpdater为例,介绍下FiledUpdater的基本原理。

2.1 AtomicReferenceFieldUpdater对象的创建

AtomicReferenceFieldUpdater本身是一个抽象类,没有公开的构造器,只能通过静态方法newUpdater创建一个AtomicReferenceFieldUpdater子类对象:
img

newUpdater的三个入参含义如下:

入参名称 含义
tclass 目标对象的类型
vclass 目标字段的类型
fieldName 目标字段名

AtomicReferenceFieldUpdaterImpl是AtomicReferenceFieldUpdater的一个内部类,并继承了AtomicReferenceFieldUpdater。AtomicReferenceFieldUpdater的API,基本都是委托AtomicReferenceFieldUpdaterImpl 来实现的。

来看下AtomicReferenceFieldUpdaterImpl 对象的构造,其实就是一系列的权限检查:
img

通过源码,可以看到AtomicReferenceFieldUpdater的使用必须满足以下条件:

  1. AtomicReferenceFieldUpdater只能修改对于它可见的字段,也就是说对于目标类的某个字段field,如果修饰符是private,但是AtomicReferenceFieldUpdater所在的使用类不能看到field,那就会报错;
  2. 目标类的操作字段,必须用volatile修饰;
  3. 目标类的操作字段,不能是static的;
  4. AtomicReferenceFieldUpdater只适用于引用类型的字段;

2.2 AtomicReferenceFieldUpdater的方法原理

AtomicReferenceFieldUpdater中所有的方法都是基于Unsafe类操作,看下最常用的方法compareAndSet
img

通过偏移量offset获取字段的地址,然后利用Unsafe进行CAS更新。

其它方法也大同小异,读者可以参考Oracle官方文档和JDK源码。

2.3 AtomicReferenceFieldUpdater接口声明

img

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