7.java中的13个原子操作类

2023-08-26 22:28:46

当程序更新一个变量时，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。

而Java从JDK 1.5开始提供了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、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。

一、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，所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解，AtomicInteger的常用方法如下。

int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。
boolean compareAndSet（int expect，int update）：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。
int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
void lazySet（int newValue）：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。关于该方法的更多信息可以参考并发编程网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》，文章地址是“http://ifeve.com/how-does-atomiclong-lazyset-work/”。
int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

代码清单7-1 AtomicIntegerTest.java

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

	public class AtomicIntegerTest {

		static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

		public static void main(String[] args) {

		System.out.println(ai.getAndIncrement());

		System.out.println(ai.get());

	}

}

输出结果如下。

1
2

那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢？让我们一起分析其实现原理，getAndIncrement的源码如代码清单7-2所示。

代码清单7-2 AtomicInteger.java

public final int getAndIncrement () {  
    for (; ; ) {  
        int current = get();  
        int next = current + 1;  
        if (compareAndSet(current, next)) return current;  
    }  
}  
public final boolean compareAndSet ( int expect, int update){  
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
}

源码中for循环体的第一步先取得AtomicInteger里存储的数值，第二步对AtomicInteger的当前数值进行加1操作，关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作，该方法先检查当前数值是否等于current，等于意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过，则将AtomicInteger的当前数值更新成next的值，如果不等compareAndSet方法会返回false，程序会进入for循环重新进行compareAndSet操作。

Atomic包提供了3种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char、float和double等。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢？Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的，让我们一起看一下Unsafe的源码，如代码清单7-3所示。

代码清单7-3 Unsafe.java

/**  
 * 如果当前数值是expected，
 * 则原子的将Java变量更新成x * 
 * @return 如果更新成功则返回true   
 */  
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);  
  
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);  
  
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现它是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现。

二、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，其常用方法如下。

int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

以上几个类提供的方法几乎一样，所以本节仅以AtomicIntegerArray为例进行讲解，AtomicIntegerArray的使用实例代码如代码清单7-4所示。

代码清单7-4 AtomicIntegerArrayTest.java

public class AtomicIntegerArrayTest {  
     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]);  
    }  
}

以下是输出的结果。

3
1

需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

三、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为例进行讲解，AtomicReference的使用示例代码如代码清单7-5所示。

代码清单7-5 AtomicReferenceTest.java

public class AtomicReferenceTest {  
    public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference<user>();  
  
    public static void main(String[] args) {  
        User user = new User("conan"， 15);
		atomicUserRef.set(user);  
        User updateUser = new User("Shinichi"， 17); 
		atomicUserRef.compareAndSet(user， updateUser);  
        System.out.println(atomicUserRef.get().getName());  
        System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());  
    }  
  
    @data
	@gouzaoqi
    static class User {  
        private String name;  
        private int 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方法进行原子更新操作，实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法。代码执行后输出结果如下。

Shinichi
17

四、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。
1、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。
2、第二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

以上3个类提供的方法几乎一样，所以本节仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如代码清单7-6所示。

代码清单7-6 AtomicIntegerFieldUpdaterTest.java

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

	// 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<User> a = 
	AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class， "old");

	public static void main(String[] args) {

	// 设置柯南的年龄是10岁

	User conan = new User("conan"， 10);

	// 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄

	System.out.println(a.getAndIncrement(conan));

	// 输出柯南现在的年龄

	System.out.println(a.get(conan));

	}
	
	@data
	@AllArgsConstructor
	public static class User {

	private String name;

	public volatile int old;

	}

}

代码执行后输出如下。

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五、本章小结

本章介绍了JDK中并发包里的13个原子操作类以及原子操作类的实现原理，读者需要熟悉这些类和使用场景，在适当的场合下使用它

码农公寓

一、原子更新基本类型类

二、原子更新数组

三、原子更新引用类型

四、原子更新字段类

五、本章小结

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