原子变量类
从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令，但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样，也有可能需要某种形式的内部锁，所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。
在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，分别是原子更新基本类型，原子更新数组，原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。
原子更新基本类型类
用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类：
- AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
- AtomicInteger：原子更新整型。
- AtomicLong：原子更新长整型。
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) ：如果实例中的值与预期值相等，则把实例中的值更新为最新值。
- 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。
- int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
AtomicInteger例子代码如下：
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：
1
2
Atomic包提供了三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，让我们一起看下Unsafe的源码，发现Unsafe只提供了三种CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现其是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新double也可以用类似的思路来实现。
原子更新数组类
通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：
- 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。
实例代码如下：
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]);
}
}
输出结果如下：
3
1
AtomicIntegerArray类需要注意的是，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，不会影响到传入的数组。
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，如果要原子的更新多个变量，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。可以原子的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)
AtomicReference的使用例子代码如下：
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());
}
static class User {
private String name;
private int old;
public User(String name, int old) {
this.name = name;
this.old = old;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getOld() {
return old;
}
}
}
输出结果：
Shinichi
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原子更新字段类
如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：
- 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。
原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子代码如下：
public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
.newUpdater(User.class, "old");
public static void main(String[] args) {
User conan = new User("conan", 10);
System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
System.out.println(a.get(conan));
}
public 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 int getOld() {
return old;
}
}
}
输出结果：
10
11
性能比较：锁与原子变量
原子变量比锁的粒度更细，量级更轻，并且对于在多处理器系统上实现高性能的并发代码来说是非常关键的。原子变量将发生竞争的范围缩小到单个变量上，这是你获得的粒度最细的情况（假设算法能够基于这种细粒度来实现）。更新原子变量的快速（非竞争）路径不会比获取锁的快速路径慢，并且通常会更快，而它的慢速路径肯定比锁的慢速路径快，因为它不需要挂起或重新调度线程。在使用基于原子变量而非锁的算法中，线程在执行时更不易出现延迟，并且如果遇到竞争，也更容易恢复过来。
伪随机数生成器（PRNG），在PRNG中，在生成下一个随机数字时需要用到上一个数字，所以在PRNG中必须记录前一个数值并将其作为状态的一部分。
以下给出了线程安全的PRNG的两种实现，一种使用ReentrantLock，另一种使用AtomicInteger。测试程序将反复调用它们，在每次迭代中将生成一个随机数字（在此过程中将读取并修改共享的seed状态），并执行一些仅在线程本地数据上执行的“繁忙”迭代。这种方法模拟了一些典型的操作，以及一些在共享状态以及线程本地状态上的操作。
基于ReentrantLock实现的随机数生成器：
public class ReentrantLockPseudoRandom extends PseudoRandom{
private final Lock lock = new ReentrantLock(false);
private int seed;
ReentrantLockPseudoRandom(int seed){
this.seed = seed;
}
public int nextInt(int n){
lock.lock();
try{
int s = seed;
seed = calculateNext(s);
int remainder = s % n;
return remainder >0 ? remainder : remainder+n;
}finally{
lock.unlock();
}
}
}
基于AtomicInteger实现的随机数生成器：
public class AtomicPseudoRandom extends PseudoRandom{
private AtomicInteger seed;
AtomicPseudoRandom(int seed){
this.seed = new AtomicInteger(seed);
}
public int nextInt(int n){
while(true){
int s = seed.get();
int nextSeed = calculateNext(s);
if(seed.compareAndSet(s, nextSeed)){
int remainder = s % n;
return remainder > 0 ? remainder : remainder + n;
}
}
}
}
下图给出了在每次迭代中工作量较高以及适中情况下的吞吐量。如果线程本地的计算量较少，那么在锁和原子变量上的竞争将非常激烈。如果线程本地的计算量较多，那么在锁和原子变量上的竞争将会降低。因为在线程中访问锁和原子变量的频率将降低。
从这些图中可以看出，在高度竞争的情况下，锁的性能将超过原子变量的性能，但在更真实的竞争情况下，原子变量的性能将超过锁的性能。这是因为锁在发生竞争时会挂起线程，从而降低了CPU的使用率和共享内存总线上的同步通信量（这类似于生产者--消费者设计中的可阻塞生产者，它能降低消费者上的工作负载，使消费者的处理速度赶上生产者的处理速度。）另一方面，如果使用原子变量，那么发出调用的类负责对竞争进行管理。与大多数基于CAS的算法一样，AtomicPseudoRandom在遇到竞争时将立即重试，这通常是一种正确的方法，但在激烈竞争环境下却导致了更多的竞争。下面两个图是粗略图，数值对应没那么精确，但足以表达相互之间的性能高低。
<center>在竞争程度较高情况下的Lock与AtomicInteger的性能</center>
<center>在竞争程度适中情况下的Lock与AtomicInteger的性能</center>
在批评AtomicPseudoRandom写的太糟糕或者原子变量比锁更糟糕之前，应该意识到一图中竞争级别过高而有些不切实际：任何一个真实的程序都不会除了竞争锁或原子变量，其它什么工作都不做。在实际情况中，原子变量在可伸缩性上要高于锁，因为在应对常见的竞争程度时，原子变量的效率会更高。
在中低端程度的竞争下，原子变量能提供更高的可伸缩性，而在高强度的竞争下，锁能够更有效地避免竞争。（在单CPU的系统上，基于CAS的算法在性能上同样会超过基于锁的算法，因为CAS在单CPU的系统上通常能执行成功，只有在偶然情况下，线程才会在执行读-改-写的操作过程中被其它线程抢占执行。）
上两个图中都包含了第三条曲线，它是一个使用了ThreadLocal来保存PRNG状态的PseudoRandom。这种实现方法改变了类的行为，即每个线程都只能看到自己私有的伪随机数字序列，而不是所有线程共享同一个随机数序列，这说明了，如果能够避免使用共享状态，那么开销将会更小。我们可以通过提高处理竞争的效率来提高可伸缩性，但只有完全消除竞争，才能实现真正的可伸缩性。
