[Java源码][并发J.U.C]---并发工具类Atomic

前言

本文主要分析一下原子更新基本类型包括AtomicBoolean,AtomicInteger和AtomicLong. 由于这三个类的基本操作和原理是一样的,因此主要分析一下AtomicInteger类就可以了.

本文源代码: 代码下载

原子更新基本类型类 AtomicInteger

例子1

package com.sourcecode.atomic_AtomicInteger;

import java.util.function.IntBinaryOperator;
import java.util.function.IntUnaryOperator;

public class AtomicIntegerTest {
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());  // 1
        System.out.println(ai.get());   // 2
        // Since 1.8
        IntBinaryOperator accumulatorFunction = (x, y) -> x + y;
        System.out.println(ai.accumulateAndGet(10, accumulatorFunction)); // 12

        IntUnaryOperator updateFunction = x -> x * x;
        System.out.println(ai.updateAndGet(updateFunction));   // 144
    }
}

上面的操作都是原子操作,accumulateAndGet和updateAndGet是针对Function所做的一些操作.

源码

AtomicInteger的实现主要依赖于Unsafe类的CAS操作,更新一下value的值. value用volatile修饰. 关于Unsafe可以参考[并发J.U.C]---简单理解Unsafe , 关于```volatile``留作后续单独分析.

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    //private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  官方源码
    private static Unsafe unsafe = null; // 为了自己获得unsafe
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            /**
             *  自己通过反射获得unsafe
             */
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe)f.get(null);

            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // 设置为volatile属性
    private volatile int value;

    /**
     *  原子的方式设置旧的值加1
     *  返回旧的值
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
    public final int get() {
        return value;
    }
    /**
     *  for循环操作设置新值为
     *  应用于accumulatorFunction后的值
     *  返回新的值
     */
    public final int accumulateAndGet(int x,
                                      IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }
    /**
     *  for循环操作设置新值为
     *  应用于updateFunction后的值
     *  返回新的值
     */
    public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.applyAsInt(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }

关于lazySet(int newValue)可以参考 AtomicLong.lazySet是如何工作的？

简单提一下,AtomicBoolean中的value也是个int类型的,只是用value==1表示true,而value==0表示false. AtomicLong基本上与AtomicInteger实现一样.

原子更新引用类型 AtomicReference

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.

例子2

public class AtomicReferenceTest {
    public static AtomicReference atomicUserRef = new AtomicReference();
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("conan", 15);
        atomicUserRef.set(user); // 非原子类操作
        User updateUser = new User("Shinichi", 17);
        atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser); // 原子类操作
        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;
        }
    }
}

结果如下: 通过设置引用user可以看到AtomicReference中存的user发生了变化.

Shinichi
17

源码简单分析

接下来看看该类的几个函数set,compareAndSet,get.

    private volatile V value;
    public AtomicReference(V initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    public AtomicReference() {
    }

可以看到value类型在AtomicInteger是int类型,而在AtomicReference中是泛型(这个也是它们之间最大的不同点),当然从AtomicInteger也可以知道AtomicReference的各种操作也是通过unsafe完成的.

    // 返回value
    public final V get() {
        return value;
    }
    // 非原子类操作 设置value
    public final void set(V newValue) {
        value = newValue;
    }
    // 原子操作 设置新value
    public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
    }

原子更新数组 AtomicIntegerArray

通过原子的方式更新数组里的某个元素

例子3

public class AtomicIntegerArrayTest {
    static int[] value = new int[] { 1, 2, 3, 4, 5};
    static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(value);
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            atomicIntegerArray.compareAndSet(i, value[i], -1);
        }
        System.out.print("new value:");
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            System.out.print(atomicIntegerArray.get(i) + ",");
        }
        System.out.print("\norigin array:");
        for (int i = 0; i < value.length; i++) {
            System.out.print(value[i] + ",");
        }
    }
}

结果如下: 可以看到虽然AtomicIntegerArray中取到的值是发生了改变,但是原数组里面的数值却没有发生任何改变.原因在于,AtomicIntegerArray里面在构造函数部分就已经copy了一个一模一样的数组进行操作,所以AtomicIntegerArray中针对数组的操作不会对原来的数组有影响.

new value:-1,-1,-1,-1,-1,
origin array:1,2,3,4,5,

简单分析源码

可以看到如下的构造函数中内部

    private static int base;
    private static final int shift;
    private final int[] array;
    public AtomicIntegerArray(int length) {
        array = new int[length];
    }

    public AtomicIntegerArray(int[] array) {
        // Visibility guaranteed by final field guarantees
        this.array = array.clone();
        //System.out.println("this.array:" + this.array);
        //System.out.println("origin array:" + array);
    }

set 函数

  public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
        return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
    }

    private boolean compareAndSetRaw(long offset, int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);
    }
    // 计算出对应下标的offset
    private long checkedByteOffset(int i) {
        if (i < 0 || i >= array.length)
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);

        return byteOffset(i);
    }

    private static long byteOffset(int i) {
        return ((long) i << shift) + base;
    }

get 函数

public final int get(int i) {
        return getRaw(checkedByteOffset(i));
    }

    public final int get(int i) {
        return getRaw(checkedByteOffset(i));
    }

    private int getRaw(long offset) {
        return unsafe.getIntVolatile(array, offset);
    }

另外两个类(AtomicLongArray和AtomicReferenceArray(用于自定义类型))的原理几乎一样.

原子更新字段类 AtomicIntegerFieldUpdater

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. 包括AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicLongFieldUpdater,AtomicStampedReference和AtomicReferenceFieldUpdater. 以AtomicIntegerFieldUpdater为例,其余的原理差不多,AtomicReferenceFieldUpdater会放到另外一篇博客分析.

例子4

此片段来自Java 并发编程的艺术
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。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    private static AtomicIntegerFieldUpdater a = AtomicIntegerFieldUpdater.
            newUpdater(User.class, "old");
    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("test", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        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;
        }
    }
}