java架构之路（多线程）原子操作，Atomic与Unsafe魔术类
小菜技术 人气:6这次不讲原理了,主要是一些应用方面的知识,和上几次的JUC并发编程的知识点更容易理解.
知识回顾：
上次主要说了Semaphore信号量的使用，就是一个票据的使用，我们举例了看3D电影拿3D眼镜的例子，还说了内部的抢3D眼镜，和后续排队的源码解析，还有CountDownLatch的使用，我们是用王者农药来举例的，CyclicBarrier栅栏的使用和CountDownLatch几乎是一致的，Executors用的很少我只是简单的写了一个小示例。上次遗漏了一个CountDownLatch和CyclicBarrier的区别。
CountDownLatch和CyclicBarrier的区别：
区别的根本在于有无主线程参与，这样就很容易区别了，CountDownLatch有主线程，CyclicBarrier没有主线程，我们来举两个例子，CountDownLatch主线程是游戏程序，而我们开启的10个线程是玩家加载程序，我们的游戏主程序会等待10个玩家加载完成，线程可能结束，然后主程序游戏程序继续运行。CyclicBarrier没有主线程，但是具有重复性，再举一个例子，年会了，公司团建活动，三人跨栅栏，要求是必须三人全部跨过栅栏以后才可以继续跨下一个栅栏。
CountDownLatch和CyclicBarrier都有让多个线程等待同步然后再开始下一步动作的意思，但是CountDownLatch的下一步的动作实施者是主线程，具有不可重复性；而CyclicBarrier的下一步动作实施者还是“其他线程”本身，具有往复多次实施动作的特点。
本次新知识
什么是原子操作？
原子（atom）本意是“不能被进一步分割的小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为”不可被中断的一个或一系列操作” 。就像是我们的mysql里面的提到的ACID，原子性，也是不可分割的操作，最小的单位。
我们以前说的MESI，说到了缓存行，也是上锁的最小单位，原子变更就不做过多解释了，就是把一个变量的值改为另外一个值。比较与交换我们在Semaphore源码里也接触过了，也就是CAS操作需要输入两个数值，一个旧值，一个新值，在将要变更为新值之前，会比较旧值是否已经改变，如果改变了修改失败，如果没有改变，修改成功。
Atomic的使用
在Atomic包内一共有12个类，四种原子更新方式，原子更新基本类型，原子更新数组，原子更新字段，Atomic包里的类基本都是基于Unsafe实现的包装类。
基本类型：AtomicInteger，AtomicBoolean，AtomicLong。
引用类型：AtomicReference、AtomicReference的ABA实例、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference。
数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray。
属性原子修改器：AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater、AtomicIntegerFieldUpdater。
来一个简单的实例，就是开启10个线程然后做一个自加的操作，还是很好理解的。
public class AtomicIntegerTest {
static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) {
for (int i = 0; i<10; i++){
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
}).start();
}
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
System.out.println("自加10次数值：--->"+atomicInteger.get());
}
}
ABA问题，ABA这样更能好理解一些，一眼就可以看出来A已经不是原来的A了，虽然值一样，但是里面的属性变成了红色的，先来看一段代码。
package com.xiaocai.main;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicIntegerTest {
static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
public static void main(String[] args) {
Thread main = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int a = atomicInteger.get();
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",修改前操作数值:"+a);
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean isCasSuccess = atomicInteger.compareAndSet(a,2);
if(isCasSuccess){
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",Cas修改后操作数值:"+atomicInteger.get());
}else{
System.out.println("CAS修改失败");
}
}
},"主线程");
Thread other = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
atomicInteger.incrementAndGet();// 1+1 = 2;
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",自加后值:"+atomicInteger.get());
atomicInteger.decrementAndGet();// atomic-1 = 2-1;
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",自减后值:"+atomicInteger.get());
}
},"干扰线程");
main.start();
other.start();
}
}
我们可以看到主线程设置一个初始值为1，然后进行等待，干扰线程将1修改为2，又将2修改回1，然后主线程继续操作1修改为2，这一系列的动作，主线程并没有感知到1已经不是原来的1了。
这样的操作其实是很危险的，我们假象，小王是银行的职员，他可以操作每个账户的金额（假设啊，具体能不能我也不知道），他将撕葱的账户转走了1000万用于炒股，股市大涨，小王赚了2000万，还了1千万，自己还剩下2千万，过几天撕葱来查看自己账户钱并没有少，但是钱已经不是那个钱了，有人动过的。所以ABA问题我们还是要想办法来处理的。我们每次转账汇款的操作都是有一个流水号（回执单）的，也就是每次我们加一个版本号码就可以了，我们来改一下代码。
public class AtomicIntegerTest {
static AtomicStampedReference atomicInteger = new AtomicStampedReference<>(1,0);
public static void main(String[] args) {
Thread main = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int stamp = atomicInteger.getStamp(); //获取当前标识别
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"修改前的版本号为:"+stamp+",修改前操作数值:"+atomicInteger.getReference());
try {
Thread.sleep(3000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
boolean isCasSuccess = atomicInteger.compareAndSet(1,2,stamp,stamp +1); //此时expectedReference未发生改变，但是stamp已经被修改了,所以CAS失败
if(isCasSuccess){
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",Cas修改后操作数值:"+atomicInteger.getReference());
}else{
System.out.println("CAS修改失败,当前版本为:"+atomicInteger.getStamp());
}
}
},"主线程");
Thread other = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int stamp = atomicInteger.getStamp();
atomicInteger.compareAndSet(1,2,atomicInteger.getStamp(),atomicInteger.getStamp()+1);
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",版本号为:"+stamp+",修改后的版本号为:"+atomicInteger.getStamp()+",自加后值:"+atomicInteger.getReference());
int newStamp = atomicInteger.getStamp();
atomicInteger.compareAndSet(2,1,atomicInteger.getStamp(),atomicInteger.getStamp()+1);
System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+",版本号为:"+newStamp+",修改后的版本号为:"+atomicInteger.getStamp()+",自减后值:"+atomicInteger.getReference());
}
},"干扰线程");
main.start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
other.start();
}
}
我们先初始一个主线程，并且设置版本号为0。然后干扰线程进行修改，每次修改时版本号加一，干扰线程结束，而主线程想继续修改时，发现版本不匹配，修改失败。
其余Atomic的类使用都是大同小异的，可以自行尝试一遍。
Unsafe魔术类的使用
Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的 方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增 强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了 类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。 在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语 言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。
在过去的几篇博客里也说到了Unsafe这个类，我们需要通过反射来使用它，比如读写屏障、加锁解锁，线程的挂起操作等等。
如何获取Unsafe实例？
1、从getUnsafe方法的使用限制条件出发，通过Java命令行命令-Xbootclasspath/a把 调用Unsafe相关方法的类A所在jar包路径追加到默认的bootstrap路径中，使得A被 引导类加载器加载，从而通过Unsafe.getUnsafe方法安全的获取Unsafe实例。 java Xbootclasspath/a:${path} // 其中path为调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径。
2、通过反射获取单例对象theUnsafe。
public static Unsafe reflectGetUnsafe() {
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
return (Unsafe) field.get(null);
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
return null;
}
总结：
这次博客完全没有代码的解析阅读，都是一些简单的使用，我们开始时候说到了什么是原子操作，接下来我们说了Atomic类的基本使用，再就是什么是ABA问题，如何用Atomic来解决ABA问题，再就是我们的魔术类Unsafe类，越过虚拟机直接来操作我们的系统的一些操作（不是超级熟练别玩这个，玩坏了不好修复）。希望对大家在工作面试中能有一些帮助。
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