Java并发编程 - 第七章 Java中的13个原子操作类

前言：

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，所以本节仅以 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。关于该方法的更多信息可以参考并发编程网翻译的一篇文章《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 示例代码如代码清单所示。

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());
	}
	
}

输出结果如下。

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 的源码如代码清单所示。

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

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

源码中 for 循环体的第一步先取得 AtomicInteger 里存储的数值，第二步对 AtomicInteger 的当前数值进行加 1 操作，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。

Atomic 包提供了 3 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，让我们一起看一下 Unsafe 的源码，如代码清单所示。

/**
 * 如果当前数值是expected，则原子的将Java变量更新成x
 * @return 如果更新成功则返回true
 */
public final native boolean compareAndSwapObject (Object o, long offset, Object expected, Object x);

public final native boolean compareAndSwapInt (Object o, long offset, int expected, int x);

public final native boolean compareAndSwapLong (Object o, long offset, long expected, long x);

通过代码，我们发现 Unsafe 只提供了 3 种 CAS 方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt 和 compareAndSwapLong，再看 AtomicBoolean 源码，发现它是先把 Boolean 转换成整型，再使用 compareAndSwapInt 进行 CAS，所以原子更新 char、float 和 double 变量也可以用类似的思路来实现。

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 4 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，所以本节仅以 AtomicIntegerArray 为例进行讲解，AtomicIntegerArray 的使用实例代码如代码清单所示。

public class AtomicIntegerArrayTest {
     

	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]);
	}
	
}

以下是输出的结果。

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 的使用示例代码如代码清单所示。

public class AtomicReferenceTest {
     

	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("Shinichi"， 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;
		}
		
	}
	
}

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。

代码执行后输出结果如下。

Shinichi
17

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，所以本节仅以 AstomicIntegerFieldUpdater 为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdater 的示例代码如代码清单所示。

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
     

	// 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;
		}
		
	}
	
}

代码执行后输出如下。

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