Java并发编程（八）Java中的13个原子操作类

朱雀 2021-09-27 00:18 355阅读 0赞

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。

# 一、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，所以这里仅以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。  
看个例子：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    public class AtomicIntegerTest {
        static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
        public static void main(String[] args) {
            System.out.println(ai.getAndIncrement());
            System.out.println(ai.get());
        }
    }

运行结果：  
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;
            //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。
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, 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，所以这里仅以AtomicIntegerArray为例进行讲解。  
AtomicIntegerArray的使用实例代码如下：

package code;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
    
    public class Test6 {
        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]);
        }
    }

运行结果：  
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。

# 三、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，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的使用示例代码如下：

package code;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
    
    public class Test6 {
        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("火影忍者",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：  
火影忍者  
17  
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方法进行原子更新操作，实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法

# 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，所以这里仅AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下：

package code;
    
    import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
    
    public class Test6 {
        // 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：  
10  
11

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