Java并发编程系列学习_原子操作类Atomic

一、原子操作类介绍

        在并发编程中很容易出现并发安全的问题，有一个很简单的例子就是多线程更新变量i=1,比如多个线程执行i++操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于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。

二、CAS Compare And Swap比较和交换

什么是CAS?

使用锁时，线程获取锁是一种悲观锁策略，即假设每一次执行临界区代码都会产生冲突，所以当前线程获取到锁的时候同时也会阻塞其他线程获取该锁。而CAS操作（又称为无锁操作）是一种乐观锁策略，它假设所有线程访问共享资源的时候不会出现冲突，既然不会出现冲突自然而然就不会阻塞其他线程的操作。因此，线程就不会出现阻塞停顿的状态。那么，如果出现冲突了怎么办？无锁操作是使用CAS(compare and swap)又叫做比较交换来鉴别线程是否出现冲突，出现冲突就重试当前操作直到没有冲突为止。

CAS的操作过程

 CAS比较交换的过程可以通俗的理解为CAS(V,O,N)，包含三个值分别为：V 内存地址存放的实际值；O 预期的值（旧值）；N 更新的新值。当V和O相同时，也就是说旧值和内存中实际的值相同表明该值没有被其他线程更改过，即该旧值O就是目前来说最新的值了，自然而然可以将新值N赋值给V。反之，V和O不相同，表明该值已经被其他线程改过了则该旧值O不是最新版本的值了，所以不能将新值N赋给V，返回V即可。当多个线程使用CAS操作一个变量是，只有一个线程会成功，并成功更新，其余会失败。失败的线程会重新尝试，当然也可以选择挂起线程。CAS的实现需要硬件指令集的支撑，在JDK1.5后虚拟机才可以使用处理器提供的CMPXCHG指令实现。

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并不是武断的间线程挂起，当CAS操作失败后会进行一定的尝试，而非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。

CAS的问题

1. ABA问题 因为CAS会检查旧值有没有变化，这里存在这样一个有意思的问题。比如一个旧值A变为了成B，然后再变成A，刚好在做CAS时检查发现旧值并没有变化依然为A，但是实际上的确发生了变化。解决方案可以沿袭数据库中常用的乐观锁方式，添加一个版本号可以解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C。

2. 自旋时间过长
   使用CAS时非阻塞同步，也就是说不会将线程挂起，会自旋（无非就是一个死循环）进行下一次尝试，如果这里自旋时间过长对性能是很大的消耗。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么在效率上会有一定的提升。

三、原子更新基本类型和数组类型

atomic包提高原子更新基本类型的工具类，主要有这些：

1. AtomicBoolean：以原子更新的方式更新boolean；
2. AtomicInteger：以原子更新的方式更新Integer;
3. AtomicLong：以原子更新的方式更新Long；

这几个类的用法基本一致，这里以AtomicInteger为例总结常用的方法：

1. 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；
2. 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；
3. getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
4. 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；

atomic包下提供能原子更新数组中元素的类有：

1. AtomicIntegerArray：原子更新整型数组中的元素；
2. AtomicLongArray：原子更新长整型数组中的元素；
3. 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：

1. addAndGet(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；
2. 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；
3. 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

package atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

/**
 * @Author: [email protected]
 * @Date: 2019-04-09 11:49
 * @Description
 */
public class AtomicDemo {

    /**
     *原子更新基本类型
     */
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    private static AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);

    private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};

    /**
     * 原子更新数组类型
     */
    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);


    public static void main(String[] args) {
        //获取再自增 返回的是新增前的旧值
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        //获取新值
        System.out.println(atomicInteger.get());

        System.out.println(atomicBoolean.compareAndSet(true, false));
        System.out.println(atomicBoolean.toString());

        //对数组中索引为1的位置的元素加5 返回的是旧值
        int result = integerArray.getAndAdd(1, 5);
        System.out.println(result);
        //返回该位置的新值
        System.out.println(integerArray.get(1));

    }
}

输出结果：
1
2
true
false
2
7

四、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：

1. AtomicReference：原子更新引用类型；
2. AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段；
3. AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型；

package atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 * @Author: [email protected]
 * @Date: 2019-04-09 11:58
 * @Description
 */
public class AtomicDemo2 {
    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);
        //返回旧值
        System.out.println(user);
        //返回新值
        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}

五、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：

1. AtomicIntegeFieldUpdater：原子更新整型字段类；
2. AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段类；
3. 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：

1. 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；
2. 更新类的属性必须使用public volatile进行修饰；

package atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

/**
 * @Author: [email protected]
 * @Date: 2019-04-09 12:02
 * @Description
 */
public class AtomicDemo3 {
    /**
     * 更新User类 的age字段
     * 需要用到静态方法 newUpdater
     */
    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
    public static void main(String[] args) {
        //新建一个user对象
        User user = new User("a", 1);
        //将年龄加5
        int oldValue = updater.getAndAdd(user, 5);
        //输出旧值
        System.out.println(oldValue);
        //打印user
        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