原子操作类简介
由于synchronized是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。 实际上，在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去 更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。 atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据，在Java中则是使用CAS操作具体实现。
CAS
随着硬件指令集的发展，我们可以使用基于冲突检测的乐观并发策略： 先进行操作，如果没有其它线程争用共享数据，那操作就成功了，否则采取补偿措施（不断地重试，直到成功为止）。 这种乐观的并发策略的许多实现都不需要将线程阻塞，因此这种同步操作称为非阻塞同步。 乐观锁需要操作和冲突检测这两个步骤具备原子性，这里就不能再使用互斥同步来保证了，只能靠硬件来完成。 硬件支持的原子性操作最典型的是：比较并交换（Compare-and-Swap，CAS）。 CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。 当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。
//著名的CAS
//var1是比较值所属的对象，var2需要比较的值（但实际是使用地址偏移量来实现的），
//如果var1对象中偏移量为var2处的值等于var4，那么将该处的值设置为var5并返回true，如果不等于var4则返回false。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
CAS的问题
1.ABA问题
如果一个变量初次读取的时候是 A 值，它的值被改成了 B，后来又被改回为 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被改变过。
J.U.C 包提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference 来解决这个问题， 它可以通过控制变量值的版本来保证 CAS 的正确性。 大部分情况下 ABA 问题不会影响程序并发的正确性， 如果需要解决 ABA 问题，改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。
2.自旋时间长开销大
自旋CAS（也就是不成功就一直循环执行直到成功）如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。 如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用， 第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源， 延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。 第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation） 而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。
3.只能保证一个共享变量的原子操作 CAS只对单个共享变量有效，当操作涉及跨多个共享变量时CAS无效。 但是从 JDK 1.5开始，提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性， 可以把多个变量封装成对象里来进行 CAS 操作. 所以我们可以使用锁或者利用AtomicReference类把多个共享变量封装成一个共享变量来操作。
synchronized VS CAS
元老级的synchronized(未优化前)最主要的问题是： 在存在线程竞争的情况下会出现线程阻塞和唤醒锁带来的性能问题，因为这是一种互斥同步(阻塞同步)。 而CAS并不是武断的将线程挂起，当CAS操作失败后会进行一定的尝试，而不是进行耗时的挂起唤醒的操作， 因此也叫做非阻塞同步。这是两者主要的区别。
原子更新基本类
atomic包提高原子更新基本类的工具类，如下：
AtomicBoolean //以原子更新的方式更新Boolean
AtomicIntege //以原子更新的方式更新Integer
AtomicLong //以原子更新的方式更新Long
以AtomicInteger为例总结常用的方法:
addAndGet(int delta) //以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加，并返回最后的结果
incrementAndGet() //以原子的方式将实例中的原值进行加1操作，并返回最终相加后的结果
getAndSet(int newValue) //将实例中的值更新为新值，并返回旧值
getAndIncrement() //以原子的方式将实例中的原值加1，返回的是自增前的旧值
AtomicInteger的getAndIncrement()方法源码如下：
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
实际上是调用了unsafe实例的getAndAddInt方法，unsafe实例的获取时通过UnSafe类的静态方法getUnsafe获取：
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
public class AtomicIntegerDemo {
// 请求总数
public static int clientTotal = 5000;
// 同时并发执行的线程数
public static int threadTotal = 200;
//java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
ExecutorService executorService = Executors.newCachedThreadPool();
//Semaphore和CountDownLatch模拟并发
final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);
final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);
for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
executorService.execute(() -> {
try {
semaphore.acquire();
add();
semaphore.release();
} catch (Exception e) {
e.printStackTrace();
}
countDownLatch.countDown();
});
}
countDownLatch.await();
executorService.shutdown();
System.out.println("count:{"+count.get()+"}");
}
public static void add() {
count.incrementAndGet();
}
}
输出结果：
count:{5000}
AtomicLong的实现原理和AtomicInteger一致，只不过一个针对的是long变量，一个针对的是int变量。 而boolean变量的更新类AtomicBoolean类是怎样实现更新的呢?核心方法是compareAndSet()方法，其源码如下：
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);
}
可以看出，compareAndSet方法的实际上也是先转换成0,1的整型变量， 然后是通过针对int型变量的原子更新方法compareAndSwapInt来实现的。 可以看出atomic包中只提供了对boolean,int ,long这三种基本类型的原子更新的方法， 参考对boolean更新的方式，原子更新char,doule,float也可以采用类似的思路进行实现。
原子更新数组
atomic包下提供能原子更新数组中元素的类有：
AtomicIntegerArray //原子更新整型数组中的元素
AtomicLongArray //原子更新长整型数组中的元素
AtomicReferenceArray //原子更新引用类型数组中的元素
这几个类的用法一致，就以AtomicIntegerArray来总结下常用的方法：
getAndAdd(int i, int delta) //以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加
getAndIncrement(int i) //以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1
compareAndSet(int i, int expect, int update) //将数组中索引为i的位置的元素进行更新
可以看出，AtomicIntegerArray与AtomicInteger的方法基本一致， 只不过在AtomicIntegerArray的方法中会多一个指定数组索引位i。
public class AtomicIntegerArrayDemo {
private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);
public static void main(String[] args) {
//对数组中索引为1的位置的元素加5
int result = integerArray.getAndAdd(1, 5);
System.out.println(integerArray.get(1));
System.out.println(result);
}
}
输出结果：
7
2
原子更新引用类型
如果需要原子更新引用类型变量的话，为了保证线程安全，atomic也提供了相关的类：
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
这几个类的使用方法也是基本一样的，以AtomicReference为例。
public class AtomicReferenceDemo {
private static AtomicReference
reference = new AtomicReference<>(); public static void main(String[] args) {
User user1 = new User("a", 1);
reference.set(user1);
User user2 = new User("b",2);
User user = reference.getAndSet(user2);
System.out.println(user);
System.out.println(reference.get());
}
static class User {
private String userName;
private int age;
public User(String userName, int age) {
this.userName = userName;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"userName='" + userName + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
}
输出结果：
User{userName='a', age=1}
User{userName='b', age=2}
首先将对象User1用AtomicReference进行封装，然后调用getAndSet方法， 从结果可以看出，该方法会原子更新引用的user对象， 变为User{userName='b', age=2}，返回的是原来的user对象User{userName='a', age=1}。
原子更新字段类型
如果需要更新对象的某个字段，并在多线程的情况下，能够保证线程安全，atomic同样也提供了相应的原子操作类：
AtomicIntegeFieldUpdater //原子更新整型字段类
AtomicLongFieldUpdater //原子更新长整型字段类
AtomicStampedReference //原子更新引用类型，这种更新方式会带有版本号。
// 而为什么在更新的时候会带有版本号，是为了解决CAS的ABA问题；
要想使用原子更新字段需要两步操作：
原子更新字段类都是抽象类，只能通过静态方法newUpdater来创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性
更新类的属性必须使用public volatile进行修饰
这几个类提供的方法基本一致，以AtomicIntegerFieldUpdater为例。
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {
private static AtomicIntegerFieldUpdater updater =
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
public static void main(String[] args) {
User user = new User("a", 1);
int oldValue = updater.getAndAdd(user, 5);
System.out.println(oldValue);
System.out.println(updater.get(user));
}
static class User {
private String userName;
public volatile int age;
public User(String userName, int age) {
this.userName = userName;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"userName='" + userName + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
}
输出结果：
1
6
创建AtomicIntegerFieldUpdater是通过它提供的静态方法进行创建， getAndAdd方法会将指定的字段加上输入的值，并且返回相加之前的值。 user对象中age字段原值为1，加5之后，可以看出user对象中的age字段的值已经变成了6。
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