Java多线程进阶（十四）—— J.U.C之atomic框架：AtomicReference

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一、AtomicReference简介

AtomicReference，顾名思义，就是以原子方式更新对象引用。

可以看到，AtomicReference持有一个对象的引用——value，并通过Unsafe类来操作该引用:

为什么需要AtomicReference？难道多个线程同时对一个引用变量赋值也会出现并发问题？
引用变量的赋值本身没有并发问题，也就是说对于引用变量var ，类似下面的赋值操作本身就是原子操作:
Foo var = ... ;
AtomicReference的引入是为了可以用一种类似乐观锁的方式操作共享资源，在某些情景下以提升性能。

我们知道，当多个线程同时访问共享资源时，一般需要以加锁的方式控制并发：

volatile Foo sharedValue = value;
Lock lock = new ReentrantLock();

lock.lock();
try{
    // 操作共享资源sharedValue
}
finally{
    lock.unlock();
}

上述访问方式其实是一种对共享资源加悲观锁的访问方式。

而AtomicReference提供了以无锁方式访问共享资源的能力，看看如何通过AtomicReference保证线程安全，来看个具体的例子：

public class AtomicRefTest {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicReference<Integer> ref = new AtomicReference<>(new Integer(1000));

        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            Thread t = new Thread(new Task(ref), "Thread-" + i);
            list.add(t);
            t.start();
        }

        for (Thread t : list) {
            t.join();
        }

        System.out.println(ref.get());    // 打印2000
    }

}

class Task implements Runnable {
    private AtomicReference<Integer> ref;

    Task(AtomicReference<Integer> ref) {
        this.ref = ref;
    }
    
    @Override
    public void run() {
        for (; ; ) {    //自旋操作
            Integer oldV = ref.get();   
            if (ref.compareAndSet(oldV, oldV + 1))  // CAS操作 
                break;
        }
    }
}

上述示例，最终打印“2000”。

该示例并没有使用锁，而是使用自旋+CAS的无锁操作保证共享变量的线程安全。1000个线程，每个线程对金额增加1，最终结果为2000，如果线程不安全，最终结果应该会小于2000。

通过示例，可以总结出AtomicReference的一般使用模式如下：

AtomicReference<Object> ref = new AtomicReference<>(new Object());
Object oldCache = ref.get();

// 对缓存oldCache做一些操作
Object newCache  =  someFunctionOfOld(oldCache); 

// 如果期间没有其它线程改变了缓存值，则更新
boolean success = ref.compareAndSet(oldCache , newCache);

上面的代码模板就是AtomicReference的常见使用方式，看下compareAndSet方法：

该方法会将入参的expect变量所指向的对象和AtomicReference中的引用对象进行比较，如果两者指向同一个对象，则将AtomicReference中的引用对象重新置为update，修改成功返回true，失败则返回false。也就是说，AtomicReference其实是比较对象的引用。

二、AtomicReference接口/类声明

类声明

接口声明

三、CAS操作可能存在的问题

CAS操作可能存在ABA的问题，就是说：
假如一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么CAS检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

一般来讲这并不是什么问题，比如数值运算，线程其实根本不关心变量中途如何变化，只要最终的状态和预期值一样即可。

但是，有些操作会依赖于对象的变化过程，此时的解决思路一般就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A - 2B - 3A。

四、AtomicStampedReference的引入

AtomicStampedReference就是上面所说的加了版本号的AtomicReference。

AtomicStampedReference原理

先来看下如何构造一个AtomicStampedReference对象，AtomicStampedReference只有一个构造器：

可以看到，除了传入一个初始的引用变量initialRef外，还有一个initialStamp变量，initialStamp其实就是版本号（或者说时间戳），用来唯一标识引用变量。

在构造器内部，实例化了一个Pair对象，Pair对象记录了对象引用和时间戳信息，采用int作为时间戳，实际使用的时候，要保证时间戳唯一（一般做成自增的），如果时间戳如果重复，还会出现ABA的问题。

AtomicStampedReference的所有方法，其实就是Unsafe类针对这个Pair对象的操作。
和AtomicReference相比，AtomicStampedReference中的每个引用变量都带上了pair.stamp这个版本号，这样就可以解决CAS中的ABA问题了。

AtomicStampedReference使用示例

来看下AtomicStampedReference的使用：

AtomicStampedReference<Foo>  asr = new AtomicStampedReference<>(null,0);  // 创建AtomicStampedReference对象，持有Foo对象的引用，初始为null，版本为0

int[] stamp=new  int[1];
Foo  oldRef = asr.get(stamp);   // 调用get方法获取引用对象和对应的版本号
int oldStamp=stamp[0];          // stamp[0]保存版本号

asr.compareAndSet(oldRef, null, oldStamp, oldStamp + 1)   //尝试以CAS方式更新引用对象，并将版本号+1

上述模板就是AtomicStampedReference的一般使用方式，注意下compareAndSet方法：

我们知道，AtomicStampedReference内部保存了一个pair对象，该方法的逻辑如下：

1. 如果AtomicStampedReference内部pair的引用变量、时间戳 与 入参expectedReference、expectedStamp都一样，说明期间没有其它线程修改过AtomicStampedReference，可以进行修改。此时，会创建一个新的Pair对象（casPair方法，因为Pair是Immutable类）。

但这里有段优化逻辑，就是如果 newReference == current.reference && newStamp == current.stamp，说明用户修改的新值和AtomicStampedReference中目前持有的值完全一致，那么其实不需要修改，直接返回true即可。

AtomicStampedReference接口声明

四、AtomicMarkableReference

我们在讲ABA问题的时候，引入了AtomicStampedReference。

AtomicStampedReference可以给引用加上版本号，追踪引用的整个变化过程，如：
A -> B -> C -> D - > A，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了3次。

但是，有时候，我们并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference：

可以看到，AtomicMarkableReference的唯一区别就是不再用int标识引用，而是使用boolean变量——表示引用变量是否被更改过。

从语义上讲，AtomicMarkableReference对于那些不关心引用变化过程，只关心引用变量是否变化过的应用会更加友好。

AtomicMarkableReference接口声明