【多线程与并发】Java中的12个原子操作类

从JDK1.5开始，Java提供了java.util.concurrent.atomic包，该包中的原子操作类提供了一种使用简单、性能高效（使用CAS操作，无需加锁）、线程安全地更新一个变量的方式。

`java.util.concurrent.atomic`包中的类.png

根据变量类型的不同，Atomic包中的这12个原子操作类可以分为4种类型：
①原子更新基本类型：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong
②原子更新数组：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
③原子更新引用：AtomicReference、AtomicReferenceFiledUpdater、AtomicMarkableReference
④原子更新字段（属性）：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicStampedReference
它们都是使用Unsafe实现的包装类。

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：
①AtomicBoolean
②AtomicInteger
③AtomicLong
这三个类提供的方式几乎是一模一样，下面以AtomicInteger为例进行讲解，AtomicInteger的常用的方法如下：

int addAndGet(int delta)
以原子方式将AtomicInteger的value设置为：delta + 原value，返回更新后的值（即delta + 原value）

boolean compareAndSet(int expect, int update)
以原子的方式，如果AtomicInteger的当前值是expect，则将AtomicInteger的值设置为update

int getAndIncrement()
以原子的方式将AtomicInteger的当前值加1，注意：返回的是加1前的值

void lazySet(int newValue)
最终将AtomicInteger设置为newValue（使用lazySet设置值后，其他线程可能在之后的一段时间内还是可以读到旧的值）

int getAndSet(int newValue)
以原子的方式将AtomicInteger设置为newValue

基本使用方式示例：

public void test(){
    Executor executor = Executors.newFixedThreadPool(3);
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    for(int i = 0; i < 10; i++){
        executor.execute(()->{
            System.out.println("atomicInteger的当前值：" + atomicInteger.addAndGet(1));
        });
    }
}

//输出如下（输出顺序可能不同，但结果一定是正确的）
atomicInteger的当前值：1
atomicInteger的当前值：2
atomicInteger的当前值：4
atomicInteger的当前值：5
atomicInteger的当前值：3
atomicInteger的当前值：7
atomicInteger的当前值：6
atomicInteger的当前值：9
atomicInteger的当前值：8
atomicInteger的当前值：10

其内部实现原子操作的原理是通过UnSafe类的CAS操作。//TODO 具体实现
其他Java的基本类型均可以使用类似的思路实现。

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3个类：
①AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素
②AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素
③AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素

以AtomicIntegerArray为例，主要是提供以原子的方式更新数组里的整型元素，其主要方法如下：

int addAndGet(int i, int delta)
以原子的方式将数组中i位置处的元素值加上delta，返回：i位置处的元素的旧值+ delta

boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)
如果当前值等于预期值（数组i位置处的元素），则以原子的方式将数组i位置处的元素值设置为update

使用示例：

public void testAtomicIntegerArray() {

    int[] originArray = new int[]{1, 2, 3};

    AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(originArray);

    array.getAndSet(0, 8);
    System.out.println(array.get(0));
    System.out.println(originArray[0]);
}

//输出结果：
8
1   ----注意这里，构造方法中是将原数组复制了一份，所以对AtomicIntegerArray的操作，不会影响原数组

原子更新引用类型

如果要原子更新多个变量，就需要使用原子更新引用类型，Atomic提供了3个类：
①AtomicReference：原子更新引用类型
②AtomicReferenceFiledUpdater：原子更新引用类型里的字段
③AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型

以AtomicReference为例，演示代码如下：

class AtomicReferenceExample{

    private  AtomicReference<User> userAtomicReference = new AtomicReference<>();

    @Test
    public void test(){
        User originUser = new User(18, "小岳");
        userAtomicReference.set(originUser);
        User updateUser = new User(28, "老岳");
        userAtomicReference.compareAndSet(originUser, updateUser);
        System.out.println(userAtomicReference.get().getName() + ":" + userAtomicReference.get().getAge());
    }

    class User{
        private String name;
        private int age;

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

        public int getAge() {
            return age;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }
    }
}

//输出结果如下
老岳:28

原子更新字段类

如果需要原子地更新某个类里的某个字段，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了一下3个类进行原子字段更新。
①AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段
②AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型的字段
③AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型（可以解决CAS操作的ABA问题）

使用更新字段类必须使用静态方法newUpdater(Class<U> tclass, String fieldName)创建一个更新器（同时指定要更新的类和该类中的要更新的字段名），并且该字段必须用public volatile修饰。

以AtomicIntegerFieldUpdater为例，演示代码如下：

class AtomicIntegerFieldUpdaterExample{

    private AtomicIntegerFieldUpdater<User> fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");

    @Test
    public void test(){
        User user = new User(18, "小岳");
        fieldUpdater.addAndGet(user, 10);
        System.out.println("user现在的年龄:" + fieldUpdater.get(user));
    }

    class User{
        private String name;
        public volatile int age;

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

        public int getAge() {
            return age;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }
    }
}

//输出结果如下
user现在的年龄:28

理解循环CAS

Java中可以通过两种方式来实现原子操作：加锁和循环CAS。
Java中使用循环CAS实现原子操作的实例：

//原子操作类AtomicInteger的incrementAndGet实现（最新源码已非如此，但思想是一致的）
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {//一直循环
        int current = get();//取出AtomicInteger当前的内存值
        int next = current + 1;//要设置的新值
        if (compareAndSet(current, next)){//用CAS操作更新AtomicInteger
            return next;
        }
    }
}

boolean compareAndSet(int current, int newValue)方法是一个原子方法，该方法首先会先检查AtomicInteger的当前数值（从内存中读取，即CAS操作中内存值）是否等于current（即CAS操作中预期值），如果等于，则说明AtomicInteger的值没有被其他线程修改过，则会将AtomicInteger的值设置为newValue（即CAS操作中要修改的新值），并返回true；如果不等于，说明AtomicInteger的值被其他线程修改过，则返回fasle。

CAS实现原子操作的三个问题

①ABA问题。
因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果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一，那么A－B－A 就会变成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。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且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。

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，或者有一个取巧的办法，就是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类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

参考

内容全部来自《Java并发编程的艺术》以及上述书籍作者的聊聊并发（五）——原子操作的实现原理。