java多线程之CAS无锁常见API

1.背景

这一节,就是学习常用的cas对象与api

.....

2.原子整数

直接看代码吧,或者看API文档

2.1.AtomicInteger的API演示

package com.ldp.demo06Atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 9:15
 * @description <p>
 * 原子整数
 * JUC 并发包提供了：
 * AtomicBoolean
 * AtomicInteger
 * AtomicLong
 * </p>
 */
public class Test01 {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(10);
        // 1.
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.getAndIncrement(),结果为:" + i.getAndIncrement() + ",实际i=" + i.get());
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.incrementAndGet(),结果为:" + i.incrementAndGet() + ",实际i=" + i.get());
        // 2.
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.getAndDecrement(),结果为:" + i.getAndDecrement() + ",实际i=" + i.get());
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.decrementAndGet(),结果为:" + i.decrementAndGet() + ",实际i=" + i.get());
        // 3.
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.getAndAdd(10),结果为:" + i.getAndAdd(10) + ",实际i=" + i.get());
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.addAndGet(10),结果为:" + i.addAndGet(10) + ",实际i=" + i.get());
        //4. P表示i的值
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.getAndUpdate(p -> p - 2),结果为:" + i.getAndUpdate(p -> p - 2) + ",实际i=" + i.get());
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.updateAndGet(p -> p - 2),结果为:" + i.updateAndGet(p -> p - 2) + ",实际i=" + i.get());
        //5. P表示原来的值i , X表示修改的值10
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x),结果为:" + i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x) + ",实际i=" + i.get());
        System.out.println("i=" + i.get() + ",执行i.accumulateAndGet(10, (p, x) -> p + x),结果为:" + i.accumulateAndGet(10, (p, x) -> p + x) + ",实际i=" + i.get());
        /**
         * 测试执行结果
         * i=10,执行i.getAndIncrement(),结果为:10,实际i=11
         * i=11,执行i.incrementAndGet(),结果为:12,实际i=12
         * i=12,执行i.getAndDecrement(),结果为:12,实际i=11
         * i=11,执行i.decrementAndGet(),结果为:10,实际i=10
         * i=10,执行i.getAndAdd(10),结果为:10,实际i=20
         * i=20,执行i.addAndGet(10),结果为:30,实际i=30
         * i=30,执行i.getAndUpdate(p -> p - 2),结果为:30,实际i=28
         * i=28,执行i.updateAndGet(p -> p - 2),结果为:26,实际i=26
         * i=26,执行i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x),结果为:26,实际i=36
         * i=36,执行i.accumulateAndGet(10, (p, x) -> p + x),结果为:46,实际i=46
         */
    }
}

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3.原子引用

2.2.AtomicReference的API演示

package com.ldp.demo06Atomic;

import org.junit.Test;

import java.math.BigDecimal;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/16 9:42
 * @description <p>
 * 原子引用
 * 为什么需要原子引用类型？
 * AtomicReference
 * AtomicMarkableReference
 * AtomicStampedReference
 * <p>
 * Stamp:标记印记
 * </p>
 */
public class Test02 {
    @Test
    public void test01AtomicReference() {
        AtomicReference<BigDecimal> ref = new AtomicReference<>(new BigDecimal("3.14"));
        while (true) {
            BigDecimal prev = ref.get();
            BigDecimal next = prev.add(new BigDecimal("0.2"));
            boolean b = ref.compareAndSet(prev, next);
            if (b) {
                System.out.println("修改成功,ref=" + ref.get());
                break;
            }
        }
    }
}

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2.3.ABA问题与解决

package com.ldp.demo06Atomic;

import com.common.MyThreadUtil;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/18 8:14
 * @description
 */
public class Test03ABA {
    private static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

    /**
     * ABA问题与解决
     * 代码执行结果:
     * A修改为B-->true
     * B修改为A-->true
     * A修改为C-->true
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        String prev = ref.get();
        new Thread(() -> {
            // A 修改为B
            System.out.println("A修改为B-->" + ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
            // B修改为A
            System.out.println("B修改为A-->" + ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
        }, "ABA").start();
        MyThreadUtil.sleep(1);
        // A修改为C
        System.out.println("A修改为C-->" + ref.compareAndSet(prev, "C"));
    }
}

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2.4.AtomicStampedReference解决ABA问题

package com.ldp.demo06Atomic;

import com.common.MyThreadUtil;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/18 8:14
 * @description
 */
public class Test03ABAStamped {
    private static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<String>("A", 1);

    /**
     * ABA问题解决思路
     * <p>
     * 主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A 是否相同，不知到从 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【修改了】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，
     * 这时，需要比较值和版本号
     * <p>
     * 代码执行结果:
     * A修改为B-->true
     * B修改为A-->true
     * A修改为C-->false
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        String prev = ref.getReference();
        int stamp = ref.getStamp();
        new Thread(() -> {
            // A 修改为B
            System.out.println("A修改为B-->" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
            // B修改为A
            System.out.println("B修改为A-->" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", ref.getStamp(), ref.getStamp() + 1));
        }, "ABA").start();
        MyThreadUtil.sleep(1);
        // A修改为C
        System.out.println("A修改为C-->" + ref.compareAndSet(prev, "C", stamp, stamp + 1));
    }
}

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2.5.AtomicMarkableReference解决ABA问题

package com.ldp.demo06Atomic;

import com.common.MyThreadUtil;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/18 8:14
 * @description
 */
public class Test03Markable {
    private static AtomicMarkableReference<String> ref = new AtomicMarkableReference<>("A", true);

    /**
     * ABA问题与解决
     * 代码执行结果:
     * marked-1=true
     * A修改为B-->true
     * marked-2=false
     * B修改为A-->true
     * marked-3=true
     * A修改为C-->true
     * marked-4=false
     * 有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
        String prev = ref.getReference();
        System.out.println("marked-1=" + ref.isMarked());
        new Thread(() -> {
            // A 修改为B
            System.out.println("A修改为B-->" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", true, false));
            System.out.println("marked-2=" + ref.isMarked());
            // B修改为A
            System.out.println("B修改为A-->" + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", false, true));
        }, "ABA").start();
        MyThreadUtil.sleep(1);
        System.out.println("marked-3=" + ref.isMarked());
        // A修改为C
        System.out.println("A修改为C-->" + ref.compareAndSet(prev, "C", true, false));
        System.out.println("marked-4=" + ref.isMarked());
    }
}

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4.原子数组

package com.ldp.demo06Atomic;

import org.junit.Test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
import java.util.function.BiConsumer;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Function;
import java.util.function.Supplier;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/18 8:55
 * @description <p>
 * 原子数组
 * AtomicIntegerArray
 * AtomicLongArray
 * AtomicReferenceArray
 * </p>
 */
public class Test04Array {
    /**
     * 测试自定义的数组
     * int[10] 存在线程不安全
     */
    @Test
    public void test01() throws InterruptedException {
        myArray(() -> new int[10],
                (array) -> array.length,
                (array, index) -> array[index]++,
                (array) -> System.out.println(Arrays.toString(array)));
    }

    /**
     * 测试自定义的数组
     * AtomicIntegerArray 线程安全
     */
    @Test
    public void test02() throws InterruptedException {
        myArray(
                () -> new AtomicIntegerArray(10),
                (array) -> array.length(),
                (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
                array -> System.out.println(array)
        );
    }

    /**
     * @param supplierArray  提供一个数组
     * @param functionLength 获取数组长度
     * @param addArray       数组元素自增1
     * @param printArray     打印数组
     * @param <T>            数组的泛型
     */
    public <T> void myArray(Supplier<T> supplierArray,
                            Function<T, Integer> functionLength,
                            BiConsumer<T, Integer> addArray,
                            Consumer<T> printArray
    ) throws InterruptedException {
        // 定义一个放线程的集合
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        // 1.提供一个数组
        T array = supplierArray.get();
        // 2.获取数组长度的方法
        Integer length = functionLength.apply(array);
        // 遍历数组,使用1000个线程,每个线程给每个元素加1
        for (int i = 0; i < length; i++) {
            // 1000个线程,每个线程给每个元素加1
            Thread t = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    // 3.自增方法,传入array与下标index
                    addArray.accept(array, j % length);
                }
            });
            list.add(t);
        }
        // 启动所有线程
        for (Thread thread : list) {
            thread.start();
        }
        // 等待所有线程执行完
        for (Thread thread : list) {
            thread.join();
        }
        // 4.打印数组的方法
        printArray.accept(array);
    }
}

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5.字段更新器

package com.ldp.demo06Atomic;

import org.junit.Test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/18 9:56
 * @description <p>
 * 字段更新器
 * AtomicReferenceFieldUpdater
 * AtomicIntegerFieldUpdater
 * AtomicLongFieldUpdater
 * </p>
 */
public class Test05Field {
    private volatile int age = 18;

    @Test
    public void test01() {
        AtomicIntegerFieldUpdater fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Test05Field.class, "age");
        // 创建Test05Field对象
        Test05Field test05Field = new Test05Field();
        // 将18修改为 30岁
        fieldUpdater.compareAndSet(test05Field, test05Field.age, 30);
        System.out.println("当前年龄:" + test05Field.age);
    }
}

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6.原子累加器:LongAdder

package com.ldp.demo06Atomic;

import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.junit.Test;

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;
import java.util.function.Consumer;
import java.util.function.Supplier;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/18 10:13
 * @description
 */
@Slf4j
public class Test06LongAdder {
    /**
     * AtomicLong 与 LongAdder 测试
     * LongAdder:在多线程并发的情况下,LongAdder会明显优于AtomicLong
     * <p>
     * LongAdder的原理:
     * 在由线程竞争cpu时，设置多个累加单元，Therad-0 累加 Cell[0]，而 Thread-1 累加Cell[1]...
     * 最后将结果汇总。这样它们在累加时操作的不同的 Cell 变量，因此减少了 CAS 重试失败，从而提高性能。
     * <p>
     * 09:35:18.967 [main] -> start.....
     * num=10000000,耗时:172 毫秒
     * num=10000000,耗时:203 毫秒
     * num=10000000,耗时:187 毫秒
     * num=10000000,耗时:188 毫秒
     * num=10000000,耗时:171 毫秒
     * 09:35:20.013 [main] -> ------------------------------
     * num=10000000,耗时:157 毫秒
     * num=10000000,耗时:93 毫秒
     * num=10000000,耗时:63 毫秒
     * num=10000000,耗时:78 毫秒
     * num=10000000,耗时:78 毫秒
     * 09:35:20.482 [main] -> end.....
     *
     * @throws InterruptedException
     */
    @Test
    public void test01() throws InterruptedException {
        log.info("start.....");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            methodAdd(() -> new AtomicLong(),
                    (num) -> num.getAndIncrement());
        }
        log.info("------------------------------");
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            methodAdd(() -> new LongAdder(),
                    (num) -> num.increment());
        }
        log.info("end.....");
    }

    /**
     * 给一个数组累加
     *
     * @param supplierNum 传入的数字
     * @param addNum      数字加一
     * @param <T>
     */
    public <T> void methodAdd(Supplier<T> supplierNum, Consumer<T> addNum) throws InterruptedException {
        long start = System.currentTimeMillis();
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        T num = supplierNum.get();
        // 3个线程
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                // 每个线程加 10万次
                for (int j = 0; j < 100000; j++) {
                    addNum.accept(num);
                }
            });
            list.add(thread);
        }
        // 启动线程
        for (Thread thread : list) {
            thread.start();
        }
        // 等待线程结束
        for (Thread thread : list) {
            thread.join();
        }
        long end = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("num=" + num + ",耗时:" + ((end - start)) + " 毫秒");
    }
}

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7.CAS实现自定义锁

package com.ldp.demo06Atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author 姿势帝-博客园
 * @address https://www.cnblogs.com/newAndHui/
 * @WeChat 851298348
 * @create 02/19 9:42
 * @description <p>
 * 利用cas的特性实现自己的锁
 * </p>
 */
public class Test07MyCasLock {
    AtomicInteger lock = new AtomicInteger(0);

    /**
     * 获取锁
     */
    public void lock() {
        while (true) {
            if (lock.compareAndSet(0, 1)) {
                // 取锁成功
                break;
            }
        }
    }

    /**
     * 释放锁
     */
    public void unlock() {
        lock.set(0);
    }

    /**
     * 测试自定义的锁
     * 注意:自定义的锁只是练习对cas的理解,不作为生产的实现方式
     *
     * @param args
     */
    public static void main(String[] args) {
       // UnsafeAccessor.
        Test07MyCasLock casLock = new Test07MyCasLock();
        casLock.lock();
        try {
            System.out.println("加锁成功....");
        } finally {
            casLock.unlock();
            System.out.println("锁已经释放...");
        }
    }
}

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完美!

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