并发编程学习笔记 之 原子操作类AtomicReference、AtomicStampedReference详解

一、前言

  在《并发编程学习笔记 之 原子操作类AtomicInteger详解》中，我们学习了原子操作类AtomicInteger的用法，类似的还有AtomicLong、AtomicBoolean等类型，这些都是针对基本类型定义的原子性操作，那么针对对象是否有原子性操作呢？这一节，我们就开始学习原子操作类AtomicReference，看看如何实现针对对象的原子性操作。

二、AtomicReference的直观体验

  这里我们改写了《Java高并发编程详解：深入理解并发核心库》一书中的例子，设计一个个人银行账号资金变化的场景：

• 个人账号被设计为不可变对象，一旦创建就无法进行修改。
• 个人账号类只包含两个字段：账号名、现金数字。
• 为了便于验证，我们约定个人账号的现金只能增多而不能减少。

  首先，我们设计一个个人银行账号类，包括账号名、现金数字两个字段，如下所示：

@Data
@AllArgsConstructor
public class DebitCard {
    

    private final String account; //账号名
    private final int amount;   //现金数字

}

   第一种场景： 使用volatile 关键字修饰DebitCard 对象，然后模拟多用户（多线程）同时转钱到账户，实现如下：

public class AtomicReferenceTest {
    

    private static final int THREADS_CONUT = 20;
    static volatile DebitCard debitCard = new DebitCard("Alex",0);

    public static void increase() {
    
        final DebitCard dc = debitCard;
        DebitCard newDc = new DebitCard(dc.getAccount(),dc.getAmount()+10);
        debitCard = newDc;
    }
    public static void main(String[] args) {
    
        for(int i = 0; i < THREADS_CONUT; i++){
    
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
    
                @Override
                public void run() {
    
                    try {
    
                        //为了避免线程快速执行完成，变成了类似串行执行的效果
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5));
                    } catch (InterruptedException e) {
    
                        e.printStackTrace();
                    }
                    increase();
                }
            });
            t.start();
        }
        while (Thread.activeCount() > 2) {
    
            Thread.yield();
        }
       System.out.println("debitCard:" + debitCard.getAmount());
    }
}

  多次运行上述代码，会发现，无法保证每次结果都是预期的结果，原因在上一节讲解原子操作类AtomicInteger时，已经分析了。如果采用想保证操作的原子性，我们需要借助synchronized关键字实现，修改increase方法即可：

public synchronized static void increase() {
    
   final DebitCard dc = debitCard;
    DebitCard newDc = new DebitCard(dc.getAccount(),dc.getAmount()+10);
    debitCard = newDc;
}

   第二种场景： 借助我们这节的主角原子操作类AtomicReference实现非阻塞的原子操作，本质还是基于CAS算法实现，具体实现如下：

public class AtomicReferenceTest {
    

    private static final int THREADS_CONUT = 20;
    private static AtomicReference<DebitCard> ref = new AtomicReference<>(new DebitCard("Alex",0));

    public static void increase2() {
    
        //每一次对AtomicReference的更新操作，我们都采用CAS这一乐观非阻塞的方式进行，
        // 因此也会存在对DebitCard对象引用更改失败的问题
        DebitCard dc = null;
        DebitCard newDC = null;
        do{
    
            // 获取AtomicReference的当前值
            dc = ref.get();
            // 基于AtomicReference的当前值创建一个新的DebitCard
            newDC = new DebitCard(dc.getAccount(), dc.getAmount() + 10);
            // 基于CAS算法更新AtomicReference的当前值
        }while (!ref.compareAndSet(dc, newDC));
    }

    public static void main(String[] args) {
    
        for(int i = 0; i < THREADS_CONUT; i++){
    
            Thread t = new Thread(new Runnable() {
    
                @Override
                public void run() {
    
                    try {
    
                        //为了避免线程快速执行完成，变成了类似串行执行的效果
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(new Random().nextInt(5));
                    } catch (InterruptedException e) {
    
                        e.printStackTrace();
                    }
                    increase2();
                }
            });
            t.start();
        }
        while (Thread.activeCount() > 2) {
    
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("debitCard:" + ref.get().getAmount());
    }
}

  通过CAS算法实现了原子性操作。

三、AtomicReference的常见用法

1、构造函数

和AtomicInteger构造参数类似，包括无参和有参构造函数如下：

• AtomicReference()：当使用无参构造函数创建AtomicReference对象的时候，需要再次调用set()方法为AtomicReference内部的value指定初始值。
• AtomicReference(V initialValue)：创建AtomicReference对象时顺便指定初始值。

2、compareAndSet()方法

• compareAndSet(V expect, V update)：原子性地更新AtomicReference内部的value值，其中expect代表当前AtomicReference的value值，update则是需要设置的新引用值。该方法会返回一个boolean的结果，当expect和AtomicReference的当前值不相等时，修改会失败，返回值为false，若修改成功则会返回true。

  其他方法，和AtomicInteger类中的类似，这里不再一一列举，详细的可以参看源码。

  关于compareAndSet()方法的实现，和AtomicInteger中的方法类似，也是借助unsafe对象的compareAndSwapObject()方法实现原子性操作。在上述的示例中的第二种场景中，我们利用自旋+CAS算法，实现了increase2()方法的原子性操作。

四、CAS算法ABA问题

  在上述场景中，我们假设了个人账号的现金只能增多而不能减少，在现实生活中，个人账户的现金肯定是有增有减的，那么如果是这种情况下，上述实现会有什么问题呢？这就是CAS算法的ABA问题。

  CAS算法ABA问题描述如下：如果有T1、T2两个线程，当T1读取内存变量为A,T2修改内存变量为B,T2修改内存变量为A,这时T1再CAS操作A时是可行的。但实际上在T1第二次操作A时，已经被其他线程修改过了。

  对于ABA问题，比较有效的方案是引入版本号，内存中的值每发生一次变化，版本号都+1；在进行CAS操作时，不仅比较内存中的值，也会比较版本号，只有当二者都没有变化时，CAS才能执行成功。Java语言中的AtomicStampedReference类便是使用版本号来解决ABA问题的。

五、AtomicStampedReference

  AtomicStampedReference在构建的时候需要一个类似于版本号的int类型变量stamped，每一次针对共享数据的变化都会导致该stamped的增加（stamped的自增维护需要应用程序自身去负责，AtomicStampedReference并不提供），因此就可以避免ABA问题的出现，AtomicStampedReference的使用也是极其简单的，创建时我们不仅需要指定初始值，还需要设定stamped的初始值，在AtomicStampedReference的内部会将这两个变量封装成Pair对象。

• AtomicStampedReference构造函数，在创建AtomicStampedReference时除了指定引用值的初始值之外还要给定初始的stamp。

public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
    
   pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
}

private static class Pair<T> {
    
  final T reference;
   final int stamp;
   private Pair(T reference, int stamp) {
    
       this.reference = reference;
       this.stamp = stamp;
   }
   static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
    
       return new Pair<T>(reference, stamp);
   }
}

• getReference()：获取当前引用值，等同于其他原子类型的get方法。

public V getReference() {
    
    return pair.reference;
}

• getStamp()：获取当前引用值的stamp数值。

 public int getStamp() {
    
    return pair.stamp;
}

• V get(int[] stampHolder)：这个方法的意图是获取当前值以及stamp值，但是Java不支持多值的返回，并且在AtomicStampedReference内部Pair被定义为私有的，因此这里就采用了传参的方式来解决，其中stampHolder参数用于获取stamp，返回值为reference。这个设计有点儿奇怪。

public V get(int[] stampHolder) {
    
   Pair<V> pair = this.pair;
   stampHolder[0] = pair.stamp;
   return pair.reference;
}

• compareAndSet(V expectedReference, V newReference,int expectedStamp, int newStamp)：对比并且设置当前的引用值，这与其他的原子类型CAS算法类似，只不过多了expectedStamp和newStamp，只有当expectedReference与当前的Reference相等，且expectedStamp与当前引用值的stamp相等时才会发生设置，否则set动作将会直接失败。weakCompareAndSet()方法，和该方法用法完全一样。
• set(V newReference, int newStamp)：设置新的引用值以及stamp。
• attemptStamp(V expectedReference, int newStamp)：该方法的主要作用是为当前的引用值设置一个新的stamp，该方法为原子性方法。