【Java多线程】Java中的13个原子操作类（十九）

一、Atomic包     　　

　　当程序更新一个变量时，如果多线程同时更新这个变量，可能得到期望之外的值，比如变量i=1，A线程更新i+1，B线程也更新i+1，经过两个线程操作之后可能i不等于3，而是等于2。因为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1，这就是线程不安全的更新操作，通常我们会使用synchronized来解决这个问题，synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。 

　　而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下简称Atomic包），这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。 

　　因为变量的类型有很多种，所以在Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性（字段）。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

二、原子更新基本实现类

　　1、使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。 

• AtomicBoolean：原子更新布尔类型。 

• AtomicInteger：原子更新整型。 

• AtomicLong：原子更新长整型。 

     以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以这里仅以AtomicInteger为例进行讲解：

• int addAndGet(int delta)：以原子方式将输入和数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。

• boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。

• int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值

• void lazySet(int newValue)：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读取到旧的值。

• int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

示例：

public class AtomicIntegerTest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
    }
} 

　　输出：

1
2

　　那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢？让我们一起分析其实现原理，getAndIncrement的源码如下：

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        //先取得AtomicInteger里存储的数值
        int current = get();
        //对AtomicInteger的当前数值进行加1操作
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}　

　　源码中for循环体的第一步先取得Atomic Integer里存储的数值，第二步对Atomic Integer的当 前数值进行加1操作，关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作，该方法先检 查当前数值是否等于current, 等于意味着Atomic Integer的值没有被其他线程修改过，则将

　　Atomic Integer的当前数值更新成next的值，如果不等compareAndSet方法会返回false, 程序会进 入for循环重新进行compareAndSet操作。

　　Atomic包提供了3种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char、float和double等。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢? Atomic包里的类基本都是使用Unsafe 实现的，让我们一起看一下Unsafe的源码，如代码清单

/***
 *  如果当前数值时expected，则原子的将java变量更新成x
 *    @return 如果更新成功则返回true
 */
public final class Unsafe {
    ......

    public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

    ......
}

　　通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法： compareAndSwapObj ect、compareAndSwaplnt和compareAndSwapLong, 再看AtomicBoolean原码，发现它是先把Boolean转换成整 型，再使用compareAndSwaplnt进行CAS, 所以原子更新char、float和clouble变量也可以用类似 的思路来实现。

三、原子更新数组

　　通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下4个类。

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素

• AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素

• AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素

　　AtomicIntegerArray主要提供原子的方式更新数组里的整型，常用方法如下：

• • int addAndGet(int i, int delta)： 以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。

  • boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)： 如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

　　以上几个类提供的方法几乎一样，所以本节仅以Atomic Integer Array为例进行讲解， AtomiclntegerArray的使用实例代码如代码清单

示例：

public class AtomicIntegerArrayTest {
    public static void main(String[] args) {

        int[] arr = new int[]{1, 2, 3};
        AtomicIntegerArray aia = new AtomicIntegerArray(arr);
        aia.getAndSet(0, 3);
        System.out.println(aia.get(0));
        System.out.println(arr[0]);
    }
}

　　输出：

3
1

　　需要注意的是，数组arr通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会讲当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArrayList对内部的数组元素进行丢改时，不会影响传入的数组。

四、原子更新引用类型

　　原子更新基本类型的Atomiclnteger, 只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需 要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。

• AtomicReference: 原子更新引用类型。

• AtomicReferenceFieldUpdater: 原子更新引用类型里的字段。

• AtomicMarkableReference: 原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类 型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference (V initialRef, boolean initialMark)。

　　以上几个类提供的方法几乎一样，所以本节仅以AtomicReference为例进行讲解， AtomicReference的使用示例代码如代码清单

public class AtomicReferenceTest {
    // 创建原子更新器，并设置需要更新的对象类和对象的属性
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"old");
    public static void main(String[] args) {
        // 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("conan",10);
        // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        // 输出柯南现在的年龄
        System.out.println(a.get(conan));
    }
    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;
        public User(String name,int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

　　代码中首先构建一个user对象，然后把user对象设置进AtomicReferenc中，最后调用 compareAndSet方法进行原子更新橾作，实现原理同Atomiclnteger里的compareAndSet方法。代 码执行后输出结果如下。

Shinichi
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五、原子更新字段类

　　如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供 了以下3个类进行原子字段更新。

• AtomiclntegerFieldUpdater: 原子更新整型的字段的更新器。

• AtomicLongFieldUpdater: 原子更新长整型字段的更新器。

• AtomicStampedReference: 原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起 来，可用于原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的 ABA问题。

　　要想原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的 时候必须使用静态方法new Updater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第 二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

　　以上3个类提供的方法几乎一样，所以本节仅以AstomiclntegerFieldUpdater为例进行讲解， AstomiclntegerFieldUpdater的示例代码如代码清单

public class AstomicIntegerFieldUpdaterTest {
    // 创建原子更新器，并设置需要更新的对象类和对象的属性
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"old");
    public static void main(String[] args) {
        // 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("conan",10);
        // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        // 输出柯南现在的年龄
        System.out.println(a.get(conan));
    }
    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;
        public User(String name,int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
        public String getName() {
            return name;
        }
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

代码执行结果输出如下：

10
11　　

 

参考：

　　1、《Java并发编程的艺术》