JUC之Atomic原子类

目录

一. 前言

二. CAS和Unsafe

2.1. CAS

2.2. sun.misc.Unsafe

三. java.util.concurrent.atomic包下各个类

3.1. 原子更新基本类型

3.2. 原子更新数组

3.3. 原子更新引用类型

3.4. 原子更新字段类

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一. 前言

        java.util.concurrent.atomic 包提供了一些基于CAS（Compare-and-Swap）算法的原子操作类，用于在多线程环境下进行原子操作，避免了使用 synchronized 等锁机制的开销和复杂性。以下是该包中一些常用的类及其实现原理。

二. CAS和Unsafe

2.1. CAS

CAS的全称为Compare-And-Swap，直译就是对比交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，经过调查发现，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的接口。简单解释：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值(期望操作前的值)和一个新值，在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。

CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁。JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁(synchronized 重量级锁)来保持原子更新。

CAS 方式为乐观锁，synchronized 为悲观锁。因此使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。

使用CAS存在的问题及解决办法：
1. ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，比如没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时则会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
2. 循环时间长开销大
自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：第一，它可以延迟流水线执行命令(de-pipeline)，使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空(CPU Pipeline Flush)，从而提高CPU的执行效率。
3. 只能保证一个共享变量的原子操作
当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

2.2. sun.misc.Unsafe

Unsafe是JDK提供的一个工具类，Unsafe里面的方法大多是native方法，你可以理解为Unsafe类是JDK给你提供的一个直接调用操作系统底层功能的一个工具类，unsafe提供了非常多的操作系统级别的方法。

如上图所示，Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类。

三. java.util.concurrent.atomic包下各个类

底层实现：CAS+volatile

3.1. 原子更新基本类型

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

3.2. 原子更新数组

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。

3.3. 原子更新引用类型

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。
AtomicStampedFieldUpdater: 原子更新带有版本号的引用类型。
AtomicReferenceFieldUpdater: 原子更新引用类型里的字段。

3.4. 原子更新字段类

AtomicReference: 原子更新引用类型。
AtomicStampedReference: 原子更新引用类型, 内部使用Pair来存储元素值及其版本号。
AtomicMarkableReferce: 原子更新带有标记位的引用类型。