Java的Atomic类分析

Atomic包介绍

       Java1.5的Atomic包名为java.util.concurrent.atomic。这个包提供了一系列原子类。这些类可以保证多线程环境下，当某个线程在执行atomic的方法时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个线程执行。Atomic类在软件层面上是非阻塞的，它的原子性其实是在硬件层面上借助相关的指令来保证的。

       Atomic包中的类可以分成4组：

AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference

AtomicIntegerArray，AtomicLongArray

AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference，AtomicReferenceArray

       我们来看一下最简单的AtomicInteger有哪些常见的方法以及这些方法的作用。

get()             直接返回值 

getAndAdd(int)    增加指定的数据，返回变化前的数据 

getAndDecrement() 减少1，返回减少前的数据 

getAndIncrement() 增加1，返回增加前的数据 

getAndSet(int)    设置指定的数据，返回设置前的数据 

addAndGet(int)    增加指定的数据后返回增加后的数据 

decrementAndGet() 减少1，返回减少后的值 

incrementAndGet() 增加1，返回增加后的值 

lazySet(int)      仅仅当get时才会set 

compareAndSet(int, int) 尝试新增后对比，若增加成功则返回true否则返回false 

       在Java语言中，i++这类的操作不是原子操作，并非是线程安全的，使用的时候需要用到synchronized关键字进行同步。而AtomicInteger则通过一种线程安全的操作接口自动实现同步，不需要再人为的增加同步控制。

AtomicInteger源码分析

       下面通过AtomicInteger的源码来看一下是怎么在没有锁的情况下保证数据正确性。首先看一下incrementAndGet方法的实现

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

       方法中采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

       而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

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

       整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。

什么是CAS

       CAS，Compare and Swap即比较并交换。 java.util.concurrent包借助CAS实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。乐观锁就是每次去取数据的时候都乐观的认为数据不会被修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间数据有没有更新。CAS有3个操作数：内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。CAS的关键点在于，系统在硬件层面保证了比较并交换操作的原子性。

CAS的优缺点

       CAS由于是在硬件层面保证的原子性，不会锁住当前线程，它的效率是很高的。 

       CAS虽然很高效的实现了原子操作，但是它依然存在三个问题。

1、ABA问题。CAS在操作值的时候检查值是否已经变化，没有变化的情况下才会进行更新。但是如果一个值原来是A，变成B，又变成A，那么CAS进行检查时会认为这个值没有变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决方法是使用版本号。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一，那么A－B－A 就变成1A-2B－3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。

2、并发越高，失败的次数会越多，CAS如果长时间不成功，会极大的增加CPU的开销。因此CAS不适合竞争十分频繁的场景。

3、只能保证一个共享变量的原子操作。当对多个共享变量操作时，CAS就无法保证操作的原子性，这时就可以用锁，或者把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。