JAVA多线程提高五:原子性操作类的应用
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包里也提供了很多类，大致可以属于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。
一、原子更新基本类型
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Long类型。
以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解，AtomicInteger的常用方法如下：
- int addAndGet(int delta)： 以原子方式将输入的数值与实例中的值（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。
- int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
- 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到旧的值。关于该方法的更多信息可以参考并发编程网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》。
- int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值
AtomicInteger示例：
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(); System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
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() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); } public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { int var5; do { var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5; }
首先我们看getAndIncrement方法，它只是对unsafe类的简单包装，具体逻辑都在unsafe里。再看getAndAddInt方法，该方法首先通过this.getIntVolatile(var1, var2); 获取var1指向的内存地址里var2的值，这里也就是获取旧的值；然后通过CAS的方式更新值为var5+var4，更新失败进入自循。
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。
/** * 如果当前数值是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 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：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现它是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现。
// AtomicBoolean public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) { int e = expect ? 1 : 0; int u = update ? 1 : 0; return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u); } // AtomicDouble public final boolean compareAndSet(double expect, double update) { return updater.compareAndSet(this,Double.doubleToRawLongBits(expect),Double.doubleToRawLongBits(update)); }
二、原子更新数组
通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了一下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。
上述几个类提供的方法几乎一样，我们以AtomicIntegerArray类为例讲解，其常用方法如下：
- 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
static int[] value = new int[] { 1, 2 }; static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value); public static void main(String[] args) { ai.getAndSet(0,3); System.out.println(ai.get(0)); System.out.println(value[0]); }
输出接结果：
3 1
需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntergerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntergerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。
构造方法：
/** * Creates a new AtomicIntegerArray with the same length as, and * all elements copied from, the given array. * * @param array the array to copy elements from * @throws NullPointerException if array is null */ public AtomicIntegerArray(int[] array) { // Visibility guaranteed by final field guarantees this.array = array.clone(); }
三、原子更新引用类型
原子更新基本类型的AtomicInterger，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，所以此处我们仅以AtomicReference为例进行讲解，AtomicReference的使用示例
public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>(); public static void main(String[] args) { User user = new User("conan", 15); atomicUserRef.set(user); User updateUser = new User("Shinichi", 17); atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser); System.out.println(atomicUserRef.get().getName()); System.out.println(atomicUserRef.get().getOld()); } static class User { private String name; private int old; public User(String name, int old) { this.name = name; this.old = old; } public String getName() { return name; } public int getOld() { return old; } }
// 运行结果 Shinichi 17
其实现原理是依靠了unsafe.compareAndSwapObject方法。 public final boolean compareAndSet(V expect, V update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update); }
四、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。
- AtomicIntegerFieldUpdater：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newUpdater()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，此处仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdate
// 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; } }
运行结果如下：
10
11
