Java并发编程系列之十九：原子操作类

原子操作类简介

当更新一个变量的时候，多出现数据争用的时候可能出现所意想不到的情况。这时的一般策略是使用synchronized解决，因为synchronized能够保证多个线程不会同时更新该变量。然而，从jdk 5之后，提供了粒度更细、量级更轻，并且在多核处理器具有高性能的原子操作类。因为原子操作类把竞争的范围缩小到单个变量上，这可以算是粒度最细的情况了。

原子操作类相当于泛化的volatile变量，能够支持原子读取-修改-写操作。比如AtomicInteger表示一个int类型的数值，提供了get和set方法，这些volatile类型的变量在读取与写入上有着相同的内存语义。原子操作类共有13个类，在java.util.concurrent.atomic包下，可以分为四种类型的原子更新类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用和原子更新属性。

下面将分别介绍这四种原子操作类。

原子更新基本类型

使用原子方式更新基本类型，共包括3个类：

• AtomicBoolean：原子更新布尔变量
• AtomicInteger：原子更新整型变量
• AtomicLong：原子更新长整型变量

具体到每个类的源代码中，提供的方法基本相同，这里以AtomicInteger为例进行说明。AtomicInteger提供的部分方法如下：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    //返回当前的值
    public final int get() {
        return value;
    }
    //原子更新为新值并返回旧值
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }
    //最终会设置成新值
    public final void lazySet(int newValue) {
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
    }
    //如果输入的值等于预期值，则以原子方式更新为新值
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
    //原子自增
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
    //原子方式将当前值与输入值相加并返回结果
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
}

为了说明AtomicInteger的原子性，这里代码演示多线程对一个int值进行自增操作，最后输出结果，代码如下：

package com.rhwayfun.concurrency.r0405;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/** * Created by rhwayfun on 16-4-5. */
public class AtomicIntegerDemo {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args){
        for (int i = 0; i < 5; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    //调用AtomicInteger的getAndIncement返回的是增加之前的值
                    System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
                }
            }).start();
        }
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

输出结果如下：

0
1
2
3
4
5
5

可以看到在多线程的情况下，得到的结果是正确的，但是如果仅仅使用int类型的成员变量则可能得到不同的结果。这里的关键在于getAndIncrement是原子操作，那么是如何保证的呢？

getAndIncrement方法的源码如下：

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

到这里可以发现最终调用了native方法来保证更新的原子性。

原子更新数组

通过原子更新数组里的某个元素，共有3个类：

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组的某个元素
• AtomicLongArray：原子更新长整型数组的某个元素
• AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组的某个元素

AtomicIntegerArray常用的方法有：

• int addAndSet(int i, int delta)：以原子方式将输入值与数组中索引为i的元素相加
• boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则以原子方式更新数组中索引为i的值为update值

示例代码如下：

    package com.rhwayfun.concurrency.r0405;

    import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

    /** * Created by rhwayfun on 16-4-5. */
    public class AtomicIntegerArrayDemo {

    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]);
    }
}

运行结果是:

3
1

数组value通过构造的方式传入AtomicIntegerArray中，实际上AtomicIntegerArray会将当前数组拷贝一份，所以在数组拷贝的操作不影响原数组的值。

原子更新引用类型

需要更新引用类型往往涉及多个变量，早atomic包有三个类：

• 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。

下面以AtomicReference为例进行说明：

package com.rhwayfun.concurrency.r0405;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/** * Created by rhwayfun on 16-4-5. */
public class AtomicReferenceDemo {

    static class User{
        private String name;
        private int id;

        public User(String name, int id) {
            this.name = name;
            this.id = id;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getId() {
            return id;
        }

        public void setId(int id) {
            this.id = id;
        }
    }

    public static AtomicReference<User> ar = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("aa",11);
        ar.set(user);
        User newUser = new User("bb",22);
        ar.compareAndSet(user,newUser);
        System.out.println(ar.get().getName());
        System.out.println(ar.get().getId());
    }
}

运行结果为：

bb
22

可以看到user被成功更新。

原子更新字段类

如果需要原子更新某个类的某个字段，就需要用到原子更新字段类，可以使用以下几个类：

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。

要想原子更新字段，需要两个步骤：

1. 每次必须使用newUpdater创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类的字段
2. 更新类的字段（属性）必须为public volatile

下面的代码演示如何使用原子更新字段类更新字段：

package com.rhwayfun.concurrency.r0405;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

/** * Created by rhwayfun on 16-4-5. */
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {

    //创建一个原子更新器
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> atomicIntegerFieldUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"old");

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("Tom",15);
        //原来的年龄
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.getAndIncrement(user));
        //现在的年龄
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.get(user));
    }

    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 void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getOld() {
            return old;
        }

        public void setOld(int old) {
            this.old = old;
        }
    }
}

输出的结果如下：

15
16

至此，我们知道了如何使用原子操作类在不同场景下的基本用法。