java原子操作

2023-08-27 07:57:46

一、何谓Atomic？

Atomic一词跟原子有点关系，后者曾被人认为是最小物质的单位。计算机中的Atomic是指不能分割成若*分的意思。如果一段代码被认为是Atomic，则表示这段代码在执行过程中，是不能被中断的。通常来说，原子指令由硬件提供，供软件来实现原子方法（某个线程进入该方法后，就不会被中断，直到其执行完成）

在x86 平台上，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。

二、JDK1.5的原子包：java.util.concurrent.atomic

这个包里面提供了一组原子类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，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另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的，不会阻塞线程（synchronized 会把别的等待的线程挂起）(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。

其中的类可以分成4组

AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
AtomicIntegerArray，AtomicLongArray
AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference，AtomicReferenceArray

Atomic类的作用

使得让对单一数据的操作，实现了原子化
使用Atomic类构建复杂的，无需阻塞的代码
- 访问对2个或2个以上的atomic变量（或者对单个atomic变量进行2次或2次以上的操作）通常认为是需要同步的，以达到让这些操作能被作为一个原子单元。

2.1 AtomicBoolean , AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference

这四种基本类型用来处理布尔，整数，长整数，对象四种数据。

构造函数（两个构造函数）
- 默认的构造函数：初始化的数据分别是false，0，0，null
- 带参构造函数：参数为初始化的数据
set( )和get( )方法：可以原子地设定和获取atomic的数据。类似于volatile，保证数据会在主存中设置或读取
getAndSet( )方法
- 原子的将变量设定为新数据，同时返回先前的旧数据
- 其本质是get( )操作，然后做set( )操作。尽管这2个操作都是atomic，但是他们合并在一起的时候，就不是atomic。在Java的源程序的级别上，如果不依赖synchronized的机制来完成这个工作，是不可能的。只有依靠native方法才可以。
compareAndSet( ) 和weakCompareAndSet( )方法
- 这两个方法都是conditional modifier方法。这2个方法接受2个参数，一个是期望数据(expected)，一个是新数据(new)；如果atomic里面的数据和期望数据一致，则将新数据设定给atomic的数据，返回true，表明成功；否则就不设定，并返回false。
对于AtomicInteger、AtomicLong还提供了一些特别的方法。getAndIncrement( )、incrementAndGet( )、getAndDecrement( )、decrementAndGet ( )、addAndGet( )、getAndAdd( )以实现一些加法，减法原子操作。(注意 --i、++i不是原子操作，其中包含有3个操作步骤：第一步，读取i；第二步，加1或减1；第三步：写回内存)

2.1.1 1个例子-使用AtomicReference创建线程安全的堆栈

Java代码：

 public class LinkedStack<T> {   

     private AtomicReference<Node<T>> stacks = new AtomicReference<Node<T>>();   

     public T push(T e) {

         Node<T> oldNode, newNode;

         while (true) { //这里的处理非常的特别，也是必须如此的。

             oldNode = stacks.get();

             newNode = new Node<T>(e, oldNode);

             if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {

                 return e;

             }

         }

     }   

     public T pop() {

         Node<T> oldNode, newNode;

         while (true) {

             oldNode = stacks.get();

             newNode = oldNode.next;

             if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {

                 return oldNode.object;

             }

         }

     }   

     private static final class Node<T> {

         private T object;   

         private Node<T> next;   

         private Node(T object, Node<T> next) {

             this.object = object;

             this.next = next;

         }

     }

 }

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