Java并发总结-原子操作类

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。

原子更新基本类型类

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

AtomicInteger示例代码如下：

public class AtomicIntegerTest {
	static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(ai.getAndIncrement());//1
		System.out.println(ai.get());//2
	}
}

getAndIncrement是如何实现原子操作的呢？源码如下：

# AtomicInteger.java
public final int getAndIncrement() {
	for (;;) {
		int current = get();
		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：

第一步先取得AtomicInteger里存储的数值；
第二步对AtomicInteger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AtomicInteger的值没有被其他线程修改过，则将AtomicInteger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：

# Unsafe.java
/**
* 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、compare-AndSwapInt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。

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3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类主要是提供原子的方式更新数组里的整型，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的元素设置成update值。

以上几个类提供的方法几乎一样，本文仅以AtomicIntegerArray为例进行讲解，AtomicIntegerArray的使用实例代码如下：

public class AtomicIntegerArrayTest {
	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));//3
		System.out.println(value[0]);//1
	}
}

注意：数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

原子更新引用类型

原子更新基本类型的AtomicInteger，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，booleaninitialMark）。

以上几个类提供的方法几乎一样，本文仅以AtomicReference为例进行讲解，AtomicReference的使用示例代码如下：

public class AtomicReferenceTest {
	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);//实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法
		System.out.println(atomicUserRef.get().getName());//Shinichi
		System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());//17
	}

	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;
		}
	}
}

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，本文仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下：

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
	// 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));//10
		// 输出柯南现在的年龄
		System.out.println(a.get(conan));//11
	}

	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;
		}
	}
}