[Java高并发编程]（二）原子类

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前言

　　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。

Atomic包

概述

　　在JDK1.8中，Atomic包里一共有17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。
　　
　　除了上图中的12个类外，Java8在atomic包新增了5个类，分别是Striped64，LongAdder，LongAccumulator，DoubleAdder，DoubleAccumulator。其中，Sriped64作为父类，其他分别是long和double的具体实现。

原子更新基本类型类

用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类：

AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
AtomicInteger：原子更新整型。
AtomicLong：原子更新长整型。

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。关于该方法的更多信息可以参考并发网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》
☛ int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

AtomicInteger例子代码如下：

    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());//返回的是自增前的值
        System.out.println(ai.get());
    }

运行结果：

1
2

　　Atomic包提供了三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。那么问题来了，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，让我们一起看下Unsafe的源码，发现Unsafe只提供了三种CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现其是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新double也可以用类似的思路来实现。

原子更新数组类

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：

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。
实例代码如下：

    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 //ai数组中索引为0的值为3
1 //value数组中索引为0的值仍为1

AtomicIntegerArray类需要注意的是，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，不会影响到传入的数组。

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，如果要原子的更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下三个类：

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。可以原子的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)
AtomicReference的使用例子代码如下：

public static AtomicReference atomicUserRef = new AtomicReference<>();
    public static void main(String[] args) {

        User user = new User("why", 15);
        atomicUserRef.set(user);
        User updateUser = new User("Tony", 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：

Tony
17

原子更新字段类

如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：

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。

原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。
AtomicIntegerFieldUpdater的例子代码如下：

private static AtomicIntegerFieldUpdater a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");

    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        System.out.println(a.get(conan));

    }

    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;
        }
    }

运行结果如下：

10
11

JDK1.8新增LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator

详细介绍请参考如下连接：
Java并发学习(十一)-LongAdder和LongAccumulator探究

Java并发编程札记-(三)JUC原子类-06JDK1.8新增：LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator

原子类实现分析

　　我们知道在多线程环境下，类似于num++这样的复合操作的问题存在线程安全问题，因为，num++看似简单的一个操作，实际上是由1.读取 2.加一 3.写入三步组成的，这是个复合类的操作（所以在volatile中所说它是无法解决num++的原子性问题的），在并发环境下，如果不做任何同步处理，就会有线程安全问题，让我们通过下面的例子来看一下：

public class MyThreadD {

    public static int count = 0;

    public static void main(String[] args) {
        //开启5个线程
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            new Thread(() -> {
                //每个线程当中让count值自增1000次
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    try {
                        Thread.sleep(10);
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                    count++;
                    System.out.println("当前线程为："+Thread.currentThread().getName() + "   count=" + count);
                }
            }).start();
        }
    }
}

运行结果为：

运行多次，只有很小几率能够运行为正确结果：5000

悲观的解决方案（阻塞同步）

这种线程安全问题，最简单的我们首先想到用加锁的方式解决，例如使用synchronized同步关键字

synchronized (MyThreadD.class) {
     count++;
     System.out.println("当前线程为：" + Thread.currentThread().getName() + "   count=" + count);
}

运行结果为：

使用独占锁机制来解决，是一种悲观的并发策略，抱着一副“总有刁民想害朕”的想法，每次操作数据的时候都认为别的线程会参与竞争修改。同一时刻只能有一个线程持有锁，那其他线程就会阻塞。线程的挂起恢复会带来很大的性能开销，尽管JVM对于非竞争锁的获取和释放做了很多优化，但是一旦多个线程竞争锁，频繁的阻塞唤醒，还是会有很大的性能开销的。所以，使用synchronized或其他重量级锁来处理显然不够合理。

乐观的解决方案（非阻塞同步）

　　乐观的解决方案，顾名思义，就是很大度乐观，每次操作数据的时候，都认为别的线程不会参与竞争修改，也不加锁。如果操作成功了那最好；如果失败了，比如中途确定有别的线程进入并修改了数据（依赖于冲突检测），也不会阻塞，可以采取一些补偿机制，一般的策略就是反复重试。很显然，这种思想比简单粗暴的利用锁来同步要合理的多。
　　使用原子类来解决上面的线程安全问题：
　　修改代码如下
　　

public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); //定义原子类

count.incrementAndGet(); //count++

运行结果如下：

原子类的实现依赖于CAS算法，这个我们已经在上篇博客中以AtomicInteger为例进行介绍过了。

[Java高并发编程]（一）理解CAS
https://blog.csdn.net/why15732625998/article/details/80092206

本系列博客目录贴：

如有错误，欢迎指正，不胜感激！

[Java高并发编程]（零）前言

参考链接

https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6789109.html
http://ifeve.com/java-atomic/
http://ifeve.com/atomic-operation/