何时在 Java 中使用 AtomicReference？

Question

我们什么时候使用AtomicReference？

是否需要在所有多线程程序中创建对象？

提供一个应该使用 AtomicReference 的简单示例。

Answer 1

这是 AtomicReference 的用例：

考虑这个充当数字范围的类，并使用单独的 AtmomicInteger 变量来维护数字的下限和上限。

public class NumberRange {
    // INVARIANT: lower <= upper
    private final AtomicInteger lower = new AtomicInteger(0);
    private final AtomicInteger upper = new AtomicInteger(0);

    public void setLower(int i) {
        // Warning -- unsafe check-then-act
        if (i > upper.get())
            throw new IllegalArgumentException(
                    "can't set lower to " + i + " > upper");
        lower.set(i);
    }

    public void setUpper(int i) {
        // Warning -- unsafe check-then-act
        if (i < lower.get())
            throw new IllegalArgumentException(
                    "can't set upper to " + i + " < lower");
        upper.set(i);
    }

    public boolean isInRange(int i) {
        return (i >= lower.get() && i <= upper.get());
    }
}

setLower 和 setUpper 都是 check-then-act 序列，但它们没有使用足够的锁定来使其具有原子性。如果数字范围为 (0, 10)，并且一个线程调用 setLower(5) 而另一个线程调用 setUpper(4)，则在一些不幸的时机下，两者都将通过设置器中的检查，并且将应用这两个修改。结果是范围现在保持 (5, 4) 无效状态。因此，虽然底层 AtomicIntegers 是线程安全的，但复合类不是。这可以通过使用 AtomicReference 而不是使用单个 AtomicIntegers 作为上限和下限来解决。

public class CasNumberRange {
    // Immutable
    private static class IntPair {
        final int lower;  // Invariant: lower <= upper
        final int upper;

        private IntPair(int lower, int upper) {
            this.lower = lower;
            this.upper = upper;
        }
    }

    private final AtomicReference<IntPair> values = 
            new AtomicReference<IntPair>(new IntPair(0, 0));

    public int getLower() {
        return values.get().lower;
    }

    public void setLower(int lower) {
        while (true) {
            IntPair oldv = values.get();
            if (lower > oldv.upper)
                throw new IllegalArgumentException(
                    "Can't set lower to " + lower + " > upper");
            IntPair newv = new IntPair(lower, oldv.upper);
            if (values.compareAndSet(oldv, newv))
                return;
        }
    }

    public int getUpper() {
        return values.get().upper;
    }

    public void setUpper(int upper) {
        while (true) {
            IntPair oldv = values.get();
            if (upper < oldv.lower)
                throw new IllegalArgumentException(
                    "Can't set upper to " + upper + " < lower");
            IntPair newv = new IntPair(oldv.lower, upper);
            if (values.compareAndSet(oldv, newv))
                return;
        }
    }
}

Answer 2

原子引用应该用于需要对引用执行简单原子（即thread-safe，非平凡）操作的设置中，基于监视器的同步不适合。假设您要检查是否仅当对象的状态保持上次检查时的特定字段：

AtomicReference<Object> cache = new AtomicReference<Object>();

Object cachedValue = new Object();
cache.set(cachedValue);

//... time passes ...
Object cachedValueToUpdate = cache.get();
//... do some work to transform cachedValueToUpdate into a new version
Object newValue = someFunctionOfOld(cachedValueToUpdate);
boolean success = cache.compareAndSet(cachedValue,cachedValueToUpdate);

由于原子引用语义，即使cache 对象在线程之间共享，您也可以这样做，而无需使用synchronized。一般来说，除非您知道自己在做什么，否则最好使用同步器或java.util.concurrent 框架而不是裸露的Atomic*。

两个优秀的死树参考将向您介绍这个主题：

• Herlihy's excellent Art of Multiprocessor Programming
• Java Concurrency in Practice

请注意（我不知道这是否一直是真的）reference 赋值（即=）本身是原子的（更新 primitive 64 位类型像 long 或 double 可能不是原子的；但更新 reference 始终是原子的，即使它是 64 位的）无需显式使用 Atomic*。
请参阅Java Language Specification 3ed, Section 17.7。

Answer 3

我不会多说。我尊敬的朋友们已经提供了宝贵的意见。 本博客最后的完整运行代码应该可以消除任何混淆。这是一个多线程场景下的电影座位预订小程序。

一些重要的基本事实如下。 1> 不同的线程只能争用堆空间中的实例和静态成员变量。 2> 易失性读取或写入完全是原子的并且序列化/发生在之前并且仅从内存中完成。通过这样说，我的意思是任何读取都将遵循内存中的先前写入。并且任何写入都将遵循先前从内存中读取的内容。因此，任何使用 volatile 的线程都将始终看到最新的值。 AtomicReference 使用了 volatile 的这个属性。

以下是 AtomicReference 的部分源代码。 AtomicReference 指的是对象引用。此引用是 AtomicReference 实例中的 volatile 成员变量，如下所示。

private volatile V value;

get() 只返回变量的最新值（就像 volatiles 以“发生在之前”的方式所做的那样）。

public final V get()

Following是AtomicReference最重要的方法。

public final boolean  compareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}

compareAndSet(expect,update) 方法调用 Java 的 unsafe 类的 compareAndSwapObject() 方法。这个不安全的方法调用调用了本地调用，它调用了一条到处理器的指令。 “期望”和“更新”每个都引用一个对象。

当且仅当 AtomicReference 实例成员变量“value”引用了“expect”引用的同一个对象时，“update”现在分配给该实例变量，并返回“true”。否则，返回 false。整个事情是原子完成的。没有其他线程可以在两者之间进行拦截。 由于这是单处理器操作（现代计算机架构的魔力），它通常比使用同步块更快。但请记住，当需要以原子方式更新多个变量时，AtomicReference 将无济于事。

我想添加一个完整的运行代码，可以在 eclipse 中运行。它会清除许多混乱。这里有 22 个用户（MyTh 线程）试图预订 20 个座位。以下是代码 sn -p 后跟完整代码。

代码 sn-p，其中 22 个用户尝试预订 20 个座位。

for (int i = 0; i < 20; i++) {// 20 seats
            seats.add(new AtomicReference<Integer>());
        }
        Thread[] ths = new Thread[22];// 22 users
        for (int i = 0; i < ths.length; i++) {
            ths[i] = new MyTh(seats, i);
            ths[i].start();
        }

以下是完整的运行代码。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class Solution {

    static List<AtomicReference<Integer>> seats;// Movie seats numbered as per
                                                // list index

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // TODO Auto-generated method stub
        seats = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 20; i++) {// 20 seats
            seats.add(new AtomicReference<Integer>());
        }
        Thread[] ths = new Thread[22];// 22 users
        for (int i = 0; i < ths.length; i++) {
            ths[i] = new MyTh(seats, i);
            ths[i].start();
        }
        for (Thread t : ths) {
            t.join();
        }
        for (AtomicReference<Integer> seat : seats) {
            System.out.print(" " + seat.get());
        }
    }

    /**
     * id is the id of the user
     * 
     * @author sankbane
     *
     */
    static class MyTh extends Thread {// each thread is a user
        static AtomicInteger full = new AtomicInteger(0);
        List<AtomicReference<Integer>> l;//seats
        int id;//id of the users
        int seats;

        public MyTh(List<AtomicReference<Integer>> list, int userId) {
            l = list;
            this.id = userId;
            seats = list.size();
        }

        @Override
        public void run() {
            boolean reserved = false;
            try {
                while (!reserved && full.get() < seats) {
                    Thread.sleep(50);
                    int r = ThreadLocalRandom.current().nextInt(0, seats);// excludes
                                                                            // seats
                                                                            //
                    AtomicReference<Integer> el = l.get(r);
                    reserved = el.compareAndSet(null, id);// null means no user
                                                            // has reserved this
                                                            // seat
                    if (reserved)
                        full.getAndIncrement();
                }
                if (!reserved && full.get() == seats)
                    System.out.println("user " + id + " did not get a seat");
            } catch (InterruptedException ie) {
                // log it
            }
        }
    }

}    

Answer 4

这是一个非常简单的用例，与线程安全无关。

要在 lambda 调用之间共享对象，AtomicReference 是一个选项：

public void doSomethingUsingLambdas() {

    AtomicReference<YourObject> yourObjectRef = new AtomicReference<>();

    soSomethingThatTakesALambda(() -> {
        yourObjectRef.set(youObject);
    });

    soSomethingElseThatTakesALambda(() -> {
        YourObject yourObject = yourObjectRef.get();
    });
}

我并不是说这是一个好的设计或任何东西（这只是一个简单的例子），但如果您有需要在 lambda 调用之间共享对象的情况，AtomicReference 是一个选项。

事实上，您可以使用任何包含引用的对象，甚至是只有一项的集合。但是，AtomicReference 非常适合。

Answer 5

我们什么时候使用 AtomicReference？

AtomicReference 是在不使用同步的情况下以原子方式更新变量值的灵活方式。

AtomicReference 支持对单个变量进行无锁线程安全编程。

有多种方法可以通过高级concurrent API 实现线程安全。原子变量是多个选项之一。

Lock 对象支持可简化许多并发应用程序的锁定习惯用法。

Executors 定义了一个用于启动和管理线程的高级 API。 java.util.concurrent 提供的 Executor 实现提供了适合大规模应用的线程池管理。

并发集合可以更轻松地管理大型数据集合，并且可以大大减少同步需求。

原子变量具有最小化同步并有助于避免内存一致性错误的功能。

提供一个应该使用 AtomicReference 的简单示例。

带有AtomicReference的示例代码：

String initialReference = "value 1";

AtomicReference<String> someRef =
    new AtomicReference<String>(initialReference);

String newReference = "value 2";
boolean exchanged = someRef.compareAndSet(initialReference, newReference);
System.out.println("exchanged: " + exchanged);

是否需要在所有多线程程序中创建对象？

您不必在所有多线程程序中都使用AtomicReference。

如果要保护单个变量，请使用AtomicReference。如果要保护代码块，请使用其他构造，例如 Lock /synchronized 等。

Answer 6

当您需要在多个线程之间共享和更改不可变对象的状态时，原子引用是理想的选择。这是一个超级密集的陈述，所以我会稍微分解一下。

首先，不可变对象是在构造后实际上不会更改的对象。不可变对象的方法经常返回同一类的新实例。一些示例包括 Long 和 Double 的包装类以及 String，仅举几例。 （根据在 JVM 上编程并发，不可变对象是现代并发的关键部分）。

接下来，为什么 AtomicReference 在共享该共享值方面比 volatile 对象更好。一个简单的代码示例将显示差异。

volatile String sharedValue;
static final Object lock=new Object();
void modifyString(){
  synchronized(lock){
    sharedValue=sharedValue+"something to add";
  }
}

每次你想根据它的当前值修改那个 volatile 字段引用的字符串时，你首先需要获得一个对该对象的锁定。这可以防止其他线程在此期间进入并更改新字符串连接中间的值。然后，当您的线程恢复时，您会破坏另一个线程的工作。但老实说，代码会起作用，看起来很干净，而且会让大多数人开心。

小问题。它很慢。特别是如果该锁定对象有很多争用。那是因为大多数锁需要操作系统系统调用，并且您的线程将阻塞并被上下文切换出 CPU 以便为其他进程让路。

另一种选择是使用 AtomicRefrence。

public static AtomicReference<String> shared = new AtomicReference<>();
String init="Inital Value";
shared.set(init);
//now we will modify that value
boolean success=false;
while(!success){
  String prevValue=shared.get();
  // do all the work you need to
  String newValue=shared.get()+"lets add something";
  // Compare and set
  success=shared.compareAndSet(prevValue,newValue);
}

现在为什么这样更好？老实说，代码没有以前那么干净了。但是在 AtomicRefrence 的底层发生了一些非常重要的事情，那就是比较和交换。 使切换发生的是单个 CPU 指令，而不是操作系统调用。那是 CPU 上的一条指令。而且因为没有锁，所以在锁被执行的情况下没有上下文切换，从而节省了更多时间！

问题在于，对于 AtomicReferences，这不使用 .equals() 调用，而是使用 == 比较期望值。因此，请确保预期是从循环中返回的实际对象。

Answer 7

另一个简单的例子是在会话对象中进行安全线程修改。

public PlayerScore getHighScore() {
    ServletContext ctx = getServletConfig().getServletContext();
    AtomicReference<PlayerScore> holder 
        = (AtomicReference<PlayerScore>) ctx.getAttribute("highScore");
    return holder.get();
}

public void updateHighScore(PlayerScore newScore) {
    ServletContext ctx = getServletConfig().getServletContext();
    AtomicReference<PlayerScore> holder 
        = (AtomicReference<PlayerScore>) ctx.getAttribute("highScore");
    while (true) {
        HighScore old = holder.get();
        if (old.score >= newScore.score)
            break;
        else if (holder.compareAndSet(old, newScore))
            break;
    } 
}

来源：http://www.ibm.com/developerworks/library/j-jtp09238/index.html

Answer 8

您可以在应用乐观锁时使用 AtomicReference。您有一个共享对象，并且想要从多个线程中更改它。

1. 您可以创建共享对象的副本
2. 修改共享对象
3. 您需要检查共享对象是否仍与以前相同 - 如果是，则使用修改后副本的引用进行更新。

因为其他线程可能已经修改了它并且/可以在这两个步骤之间进行修改。您需要在原子操作中执行此操作。这就是 AtomicReference 可以提供帮助的地方