JDK8并发包中的13个原子操作类实现总结

当我们更新一个全局变量时，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。但是使用synchronized在jdk7以前都是很耗费性能的，如果使用volatile关键字修饰的话，只能保证可见性和有序性，对执行i++是不保证原子性的。

从Jdk1.5开始，就提供了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。关于Unsafe类不清楚的可以看这篇文章，写的很全面:https://www.jianshu.com/p/1cc04a31f48e。

下面将一一介绍这四种类型的原子更新方式

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，以AtomicInteger为例来看具体实现。在AtomicInteger中主要有如下的几个方法，比较重点

//以原子方式将当前值减一，返回更新前的值
//与getAndIncrement()也一样，这个是加一
public final int getAndDecrement() {
       return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
   }

//使用Unsafe提供的方法通过修改数据值的地址偏移量去使值加上delta后返回，返回更新前的值
    public final int getAndAdd(int delta) {
       return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
   }
  //返回的是更新后的值
   public final int incrementAndGet() {
       return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
   }
//返回更新后减一的值
public final int decrementAndGet() {
       return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
   }
//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。
boolean compareAndSet（int expect，int update）

以上有使用Unsafe提供的方法去更新的，实现原理都是使用CAS的方式去更新值。

2.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

这几个类的用法一致，就以AtomicIntegerArray来总结下常用的方法：

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；
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；
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

可以看出，AtomicIntegerArray与AtomicInteger的方法基本一致，只不过在AtomicIntegerArray的方法中会多一个指定数组索引位i。下面举一个简单的例子：

public class AtomicDemo {
    //    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
    private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {
        //对数组中索引为1的位置的元素加5
        int result = integerArray.getAndAdd(1, 5);
        System.out.println(integerArray.get(1));
        System.out.println(result);
    }
}
输出结果：
7
2

3　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：看代码实例:

public class AtomicReferenceTest {

    private static AtomicReference userAtomicReference=new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("ocnan", 16);
        userAtomicReference.set(user);
        User updateUser = new User("Shinichi",17);
        userAtomicReference.compareAndSet(user,updateUser);

        System.out.println(userAtomicReference.get().getName());
        System.out.println(userAtomicReference.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方法进行原子更新作，实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法。

4.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AstomicIntegerFieldUpdate类为例:

public class AtomicDemo {
// 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 updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
    public static void main(String[] args) {
      // 设置柯南的年龄是10岁
        User user = new User("a", 10);
      //执行更新的代码段
        int oldValue = updater.getAndIncrement(user, 1);
      // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(oldValue);
        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：
10
11

从示例中可以看出，创建AtomicIntegerFieldUpdater是通过它提供的静态方法进行创建。

摘自:
《java并发编程的实战》