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内容概要
AtomicMarkableReference
类能够确保引用和布尔标记的原子性更新,有效避免了多线程环境下的竞态条件,其提供的方法可以轻松地实现基于条件的原子性操作,提高了程序的并发安全性和可靠性。
核心概念
场景举例
AtomicMarkableReference
类将一个布尔标记与一个引用关联起来,可以原子性地更新这对值,因此在多线程环境中,可以确保标记和引用的更新是作为一个不可分割的操作发生的,不会出现中间状态被其他线程观察到的情况。
模拟一个业务场景,假如,有一个在线购物平台,其中有一个非常重要的业务是库存管理,在这个系统中,每个商品都有一个库存数量,当库存数量为零时,商品就不能再被购买了,但是,由于系统是高并发的,可能会有多个线程(可能是多个用户同时发起购买请求)同时尝试减少同一个商品的库存。
在这种情况下,可以使用AtomicMarkableReference
来解决这个问题,可以将库存数量封装在一个对象中,并使用AtomicMarkableReference
来引用这个对象,标记位可以用来表示这个库存数量是否已经被其他线程“锁定”以减少。
当一个线程尝试减少库存时,它首先会检查标记位,如果标记位表示库存没有被锁定,那么该线程会尝试原子性地设置标记位为“锁定”状态,并获取当前的库存数量,如果成功,该线程就可以安全地减少库存,而不用担心其他线程同时修改它,减少库存后,该线程会原子性地清除标记位,表示库存现在可以被其他线程锁定和修改了。
如果在尝试锁定库存时失败(因为其他线程已经锁定了它),那么该线程可以选择重试、等待或者返回一个错误消息给用户,通过使用AtomicMarkableReference
,可以确保在高并发环境下库存数量的正确性和一致性,避免出现超卖的情况。
其它场景
AtomicMarkableReference
类主要用于解决在并发环境下的数据一致性问题,特别是当需要原子性地更新一个引用及其关联的状态(通常由一个布尔标记表示),通常可以用来解决以下类似的问题:
- 无锁数据结构:在实现无锁(
lock-free
)或基于乐观锁(optimistic locking
)的数据结构时,AtomicMarkableReference
可以用来原子性地更新节点的引用和状态。 - 状态跟踪:当需要跟踪某个对象的状态时,可以使用
AtomicMarkableReference
。例如,可能有一个对象需要在多个线程之间共享,并且需要知道这个对象是否已经被处理过,通过将对象和一个标记(表示处理状态)存储在AtomicMarkableReference
中,可以确保在检查和处理对象时操作的原子性。 - 缓存一致性:在构建缓存系统时,
AtomicMarkableReference
可以用来确保缓存条目的原子性更新,例如,当缓存条目需要被无效或更新时,可以使用标记来表示条目的有效性,并使用AtomicMarkableReference
来原子性地更新条目和标记。 - 避免ABA问题:在使用基于比较并交换(
Compare-and-Swap,CAS
)操作的原子类时,可能会遇到所谓的ABA问题,这是指一个变量原来的值是A,被另一个线程改成B后又改回A,那么使用CAS检查这个变量的线程就会发现它的值没有发生变化,而实际上它已经被其他线程修改过了。AtomicMarkableReference
通过引入一个额外的标记位来避免这个问题,因为即使引用的值没有变化,标记位的变化也可以被用来检测中间的状态变化。
核心案例
下面是一个简单的Java代码,演示了如何使用AtomicMarkableReference
类:
import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;
public class AtomicMarkableReferenceDemo {
public static void main(String[] args) {
// 创建一个 AtomicMarkableReference 实例,初始值为 "Hello" 和标记 false
AtomicMarkableReference<String> atomicRef = new AtomicMarkableReference<>("Hello", false);
// 客户端调用:尝试更新引用和标记
boolean updated = atomicRef.compareAndSet("Hello", "World", false, true);
System.out.println("Updated: " + updated); // 输出:Updated: true
// 获取当前值和标记
String currentValue = atomicRef.getReference();
boolean currentMark = atomicRef.isMarked();
System.out.println("Current Value: " + currentValue + ", Mark: " + currentMark); // 输出:Current Value: World, Mark: true
// 尝试基于旧值和旧标记更新,但这次会失败,因为当前值或标记与预期的不匹配
updated = atomicRef.compareAndSet("Hello", "Java", false, false);
System.out.println("Updated: " + updated); // 输出:Updated: false
// 再次获取当前值和标记,以确认没有变化
currentValue = atomicRef.getReference();
currentMark = atomicRef.isMarked();
System.out.println("Current Value: " + currentValue + ", Mark: " + currentMark); // 输出:Current Value: World, Mark: true
}
}
在上面代码中,先创建了一个AtomicMarkableReference
实例,初始值为字符串"Hello"
和标记false
,使用compareAndSet
方法尝试原子地更新这个引用和标记,如果当前值等于"Hello"
且标记为false
,则更新为"World"
和true
,这个方法返回一个布尔值,表示是否成功更新了引用和标记。
之后,再次使用compareAndSet
方法尝试基于不同的旧值和旧标记进行更新,但这次更新会失败,因为当前的值或标记与预期的不匹配,最后,再次获取并打印当前的值和标记,以确认它们没有因为失败的compareAndSet
调用而改变。
技术原理
实现原理
AtomicMarkableReference
的实现原理主要依赖于底层的硬件支持,特别是原子性的比较并交换(Compare-and-Swap,CAS
)操作。CAS操作是一种无锁算法,它允许多个线程在没有使用锁的情况下安全地操作共享数据。
在AtomicMarkableReference
中,CAS操作被用来确保引用和标记的同时更新是原子的,具体来说,AtomicMarkableReference
内部维护了两个字段:一个是引用的对象,另一个是一个布尔标记,这两个字段的更新都是原子性的,这是通过CAS操作来实现的。
但是,AtomicMarkableReference
并没有使用一个单一的CAS操作来同时更新引用和标记,实际上,它使用了两个分离的CAS操作,并且这两个操作之间需要通过某种方式来确保原子性,这通常是通过在内部使用一个循环来实现的,循环会一直进行,直到引用和标记都成功更新,或者确定更新不可能成功为止。
为了确保原子性,AtomicMarkableReference
采用了一种称为“双CAS”或“双重检查锁定”的技术,这种技术涉及到两个步骤:首先检查引用和标记的当前值是否与期望值匹配,如果匹配,则执行CAS操作来尝试更新它们,如果在这个过程中,任何一个值发生了变化(由于其他线程的并发修改),那么更新就会失败,需要重新尝试。
底层算法
底层算法的核心是两个CAS操作:一个用于更新引用,另一个用于更新标记,这两个操作都需要满足一定的条件才能成功。当尝试更新引用时,需要确保当前的标记值与期望的标记值相匹配;同样地,当尝试更新标记时,也需要确保当前的引用值与期望的引用值相匹配。
但是,这两个CAS操作并不是完全独立的,它们以一种方式组合在一起,以确保在引用和标记的更新之间不会发生其他线程的干扰,这通常是通过在内部使用一个循环来实现的,该循环会一直尝试更新引用和标记,直到成功为止或者确定无法成功为止(例如,由于其他线程的并发修改导致条件不再满足)。
总结:
AtomicMarkableReference
类通过利用底层的CAS操作以及一种称为“双CAS”或“双重检查锁定”的技术来实现在并发环境中对引用和标记的原子性更新。但是需要注意的,并不是所有的方法都是原子的(例如set方法),在使用时需要特别小心以确保线程安全。
核心API
以下是AtomicMarkableReference
类中主要方法的含义:
-
AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)
构造函数,用于创建一个新的AtomicMarkableReference
实例,设置初始引用值和标记。 -
V getReference()
获取当前引用的对象。 -
boolean isMarked()
获取当前标记的值。 -
void set(V newReference, boolean newMark)
设置新的引用值和标记,注意,这个方法不是原子的;它首先设置引用,然后设置标记,如果需要原子性,应使用compareAndSet
方法。 -
boolean weakCompareAndSet(V expectReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark)
以原子方式设置引用和标记的值,但允许更大的并发性,如果当前引用等于expectReference
且当前标记等于expectedMark
,则更新为newReference
和newMark
,此方法可能更频繁地失败,并需要循环重试,但它对系统其他部分的干扰更小。 -
boolean compareAndSet(V expectReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark)
以原子方式设置引用和标记的值,如果当前引用等于expectReference
且当前标记等于expectedMark
,则更新为newReference
和newMark
,此方法提供了强一致性保证。 -
boolean attemptMark(V expectedReference, boolean newMark)
如果当前引用等于expectedReference
,则以原子方式设置标记为newMark
。
这些方法提供了对带有标记的引用的原子操作,可以在多线程环境中安全地使用,compareAndSet
方法是此类中最常用的方法之一,因为它提供了一种以线程安全方式更新引用的方法,只有当引用和标记的当前值与预期值匹配时才会进行更新。
注意: set 方法可以设置新的引用和标记,但它并不提供原子性保证,如果需要在设置引用和标记时保持原子性,应该使用
compareAndSet
或weakCompareAndSet
方法。
核心总结
AtomicMarkableReference
类结合了原子引用和一个布尔标记,为并发编程带来了便利,优点在于,它能在多线程环境下保证引用和标记的原子性更新,有效避免了竞态条件,提高了程序的并发安全性,它的使用相对简单直观,通过compareAndSet
等方法可以很容易地实现基于旧值的条件更新。
单相比于普通的原子引用,它占用的空间更多,因为它需要额外存储一个标记,在高并发场景下,由于需要同时更新引用和标记,可能会带来一定的性能开销。
当需要在并发环境中维护一个引用,并且需要根据某个条件(由标记表示)来原子地更新该引用时,推荐使用AtomicMarkableReference
,但在对性能要求极高或对内存占用敏感的场景中,可能需要权衡其带来的开销和收益,考虑使用其他同步机制或数据结构。
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