详细总结Java中常用的原子类

目录一、什么是原子类二、原子类的底层实现三、常用的原子类3.1 AtomicInteger与AtomicLong3.2 LongAdder四、原子类的性能测试4.1 测试程序4.2 测试结果4.3 结果分析4.4 底层实现分析

一、什么是原子类

Java中提供了一些原子类,原子类包装了一个变量,并且提供了一系列对变量进行原子性操作的方法。我们在多线程环境下对这些原子类进行操作时,不需要加锁,大大简化了并发编程的开发。

二、原子类的底层实现

目前Java中提供的原子类大部分底层使用了CAS锁(CompareAndSet自旋锁),如AtomicInteger、AtomicLong等;也有使用了分段锁+CAS锁的原子类,如LongAdder等。

三、常用的原子类

3.1 AtomicInteger与AtomicLong

AtomicInteger与AtomicLong的底层实现与用法基本相同,不同点在于AtomicInteger包装了一个Integer型变量,而AtomicLong包装了一个Long型变量。AtomicInteger与AtomicLong的底层实现都使用了CAS锁。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;/** * @author IT00ZYQ * @date 2021/5/24 15:33 **/public class T13_AtomicInteger {    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();    private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();    private static Integer integer = 0;    private static Long lon = 0L;    public static void main(String[] args) {        // 创建10个线程,分别对atomicInteger、atomicLong、integer、lon进行1000次增加1的操作        // 如果操作是原子性的,那么正确结果 = 10 * 1000 = 10000        Thread[] threads = new Thread[10];        for (int i = 0; i < 10; i++) {            threads[i] = new Thread(() -> {                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {                    atomicInteger.incrementAndGet();                    atomicLong.incrementAndGet();                    integer ++;                    lon ++;                }            });        }        // 启动线程        for (Thread thread : threads) {            thread.start();        }        // 保证10个线程运行完成        try {            for (Thread thread : threads) {                thread.join();            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println("AtomicInteger的结果:" + atomicInteger);        System.out.println("AtomicLong的结果:" + atomicLong);        System.out.println("Integer的结果:" + integer);        System.out.println("Long的结果:" + lon);    }}

运行结果:

AtomicInteger的结果:10000AtomicLong的结果:10000Integer的结果:4880Long的结果:4350Process finished with exit code 0

多次运行发现原子类AtomicInteger与AtomicLong每次都能得到正确的结果10000,但是非原子类Integer与Long一般情况下都达不到10000,每次的结果也可能不一样。

3.2 LongAdder

LongAdder的底层实现使用了分段锁,每个段使用的锁是CAS锁,所以LongAdder的底层实现是分段锁+CAS锁。在上面的程序添加了一个LongAdder变量进行测试

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;/** * @author IT00ZYQ * @date 2021/5/24 15:33 **/public class T13_AtomicInteger {    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();    private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();    private static LongAdder longAdder = new LongAdder();    private static Integer integer = 0;    private static Long lon = 0L;    public static void main(String[] args) {        // 创建10个线程,分别对atomicInteger、atomicLong、integer、lon进行1000次增加1的操作        // 如果操作是原子性的,那么正确结果 = 10 * 1000 = 10000        Thread[] threads = new Thread[10];        for (int i = 0; i < 10; i++) {            threads[i] = new Thread(() -> {                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {                    atomicInteger.incrementAndGet();                    atomicLong.incrementAndGet();                    integer ++;                    lon ++;                    longAdder.increment();                }            });        }        // 启动线程        for (Thread thread : threads) {            thread.start();        }        // 保证10个线程运行完成        try {            for (Thread thread : threads) {                thread.join();            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println("AtomicInteger的结果:" + atomicInteger);        System.out.println("AtomicLong的结果:" + atomicLong);        System.out.println("Integer的结果:" + integer);        System.out.println("Long的结果:" + lon);        System.out.println("LongAdder的结果:" + longAdder);    }}

运行结果:

AtomicInteger的结果:10000AtomicLong的结果:10000Integer的结果:6871Long的结果:6518LongAdder的结果:10000Process finished with exit code 0

LongAdder类也是能够正确输出结果的。

四、原子类的性能测试

4.1 测试程序

package juc;import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;/** * @author IT00ZYQ * @date 2021/5/24 15:51 **/public class T14_AtomicClassPerformance {    private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();    private static LongAdder longAdder = new LongAdder();    /**     * 线程数     */    private static final int THREAD_COUNT = 100;    /**     * 每次线程循环操作次数     */    private static final int OPERATION_COUNT = 10000;    public static void main(String[] args) {        Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];                // 创建对AtomicLong进行操作的线程        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {            threads[i] = new Thread(() -> {                for (int j = 0; j < OPERATION_COUNT; j++) {                    atomicLong.incrementAndGet();                }            });        }        long start1 = System.currentTimeMillis();        // 启动线程        for (Thread thread : threads) {            thread.start();        }        // 保证线程运行完成        try {            for (Thread thread : threads) {                thread.join();            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        long end1 = System.currentTimeMillis();        // 创建对LongAdder进行操作的线程        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {            threads[i] = new Thread(() -> {                for (int j = 0; j < OPERATION_COUNT; j++) {                    longAdder.increment();                }            });        }        long start2 = System.currentTimeMillis();        // 启动线程        for (Thread thread : threads) {            thread.start();        }        // 保证线程运行完成        try {            for (Thread thread : threads) {                thread.join();            }        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        long end2 = System.currentTimeMillis();        System.out.println("AtomicLong运行时间: " + (end1 - start1) + "ms, 运行结果:" + atomicLong);        System.out.println("LongAdder运行时间: " + (end2 - start2) + "ms, 运行结果:" + longAdder);    }}

4.2 测试结果

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 1000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 40ms, 运行结果:100000LongAdder运行时间: 57ms, 运行结果:100000Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 10000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 108ms, 运行结果:1000000LongAdder运行时间: 85ms, 运行结果:1000000Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 1000000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 6909ms, 运行结果:100000000LongAdder运行时间: 468ms, 运行结果:100000000Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 10, OPERATION_COUNT = 1000000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 788ms, 运行结果:10000000LongAdder运行时间: 162ms, 运行结果10000000Process finished with exit code 0

4.3 结果分析

THREAD_COUNT * OPERATION_COUN足够小时,AtomicInteger的性能会略高于LongAdder,而随着THREAD_COUNT * OPERATION_COUN的增加,LongAdder的性能更高,THREAD_COUNT * OPERATION_COUN足够大时,LongAdder的性能远高于AtomicInteger。

4.4 底层实现分析 AtomicLong的原子性自增操作,是通过CAS实现的。在竞争线程数较少且每个线程的运行所需时间较短的情况下,这样做是合适的。但是如果线程竞争激烈,会造成大量线程在原地打转、不停尝试去修改值,但是老是发现值被修改了,于是继续自旋。 这样浪费了大量的CPU资源。 LongAdder在竞争激烈时,多个线程并不会一直自旋来修改值,而是采用了分段的思想,各个线程会分散累加到自己所对应的Cell[]数组的某一个数组对象元素中,而不会大家共用一个,把不同线程对应到不同的Cell中进行修改,降低了对临界资源的竞争。本质上,是用空间换时间。

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生活若剥去了理想、梦想、幻想,那生命便只是一堆空架子

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