java并发包之原子类Automic

1.概述

• Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令，但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样，也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。
• 原子类其内部实现不是简单的使用synchronized，而是一个更为高效的方式CAS (compare and swap) + volatile和native方法（同步的工作更多的交给了硬件），从而避免了synchronized的高开销，执行效率大为提升
• 虽然基于CAS的线程安全机制很好很高效，但要说的是，并非所有线程安全都可以用这样的方法来实现，这只适合一些粒度比较小，型如计数器这样的需求用起来才有效，否则也不会有锁的存在了
• 在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，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字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。
  

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2.代码详解

现在我们来分析一下Atomic包中AtomicInteger的源代码，其它类的源代码在原理上都比较类似。

• 有参构造函数：从构造函数函数可以看出，数值存放在成员变量value中;
• 成员变量value声明为volatile类型，说明了多线程下的可见性，即任何一个线程的修改，在其它线程中都会被立刻看到

public AtomicInteger(int initialValue) { 
  value = initialValue;
}

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• compareAndSet方法（value的值通过内部this和valueOffset传递）
• 这个方法就是最核心的CAS操作
• 接收2个参数，一个是期望数据(expected)，一个是新数据(new)；如果atomic里面的数据和期望数据一致，则将新数据设定给atomic的数据，返回true，表明成功；否则就不设定，并返回false。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
 return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

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• getAndSet方法,在该方法中调用了compareAndSet方法
• 本质是get( )操作，然后做set( )操作。尽管这2个操作都是atomic，但是他们合并在一起的时候，就不是atomic
• 如果在执行if(compareAndSet(current,newValue)之前其它线程更改了value的值，那么导致value的值必定和current的值不同，compareAndSet执行失败，只能重新获取value的值，然后继续比较，直到成功。

public final int getAndSet(int newValue) {
    for (;;) {
      int current = get();
      if (compareAndSet(current, newValue))
        return current;
    }
}

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• i++的实现
• 一般来说自增和自减都不是原子操作，其中包含有3个操作步骤：第一步，读取i；第二步，加1或减1；第三步，写回内存
• 为了实现原子性，必须在for循环中比较值value是否被修改

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
      int current = get();
      int next = current + 1;
      if (compareAndSet(current, next))
        return current;
    }
}

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• ++i的实现

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
      int current = get();
      int next = current + 1;
      if (compareAndSet(current, next))
        return next;
    }
}

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• 实例：使用AutomicInteger实现随机数字生成器

puclic class AutomicRandom{
    private AutomicInteger seed;
    AutomicRandom(int seed){
        this.seed = new AutomicInteger(seed);
    }
    public int nextInt(){
        while(true){
            int s = seed.get();
            int nextSeed = calculateNext(s);
            if(seed.compareAndSet(s,nextSeed)){ 
                 //对比新旧数据是否一致，一致则设置
                //新的数字成功设置到原子类对象里面
                int remainder = s % n;
                return remainder > 0 ? remainder : remainder + n;
            }
        }
    }
}

3. 总结

• 在中低程度的竞争下，原子类提供更高的伸缩性；在高强度的竞争下，锁能更好的帮助我们避免竞争。（来自《并发编程实战》）
• 所以，我们要视情况而定，若资源竞争规模不大，控制粒度较小，使用原子类比使用锁更好，能提高效率与性能