Java多线程：AtomicInteger 原子更新基本类型类

前言

原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++； 这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以它不是一个原子操作（线程执行a=0这个语句时直接将数据写入内存中；而执行a++时，会先获取a的值，再去执行加操作，最后再将数据写入内存）。只有简单的读取、赋值（而且必须是将数字赋值给某个变量，变量之间的相互赋值不是原子操作）才是原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。Java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。

Atomic包介绍

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

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：

• AtomicInteger(int initialValue)：创建一个AtomicInteger实例，初始值由参数指定。不带参的构造方法初始值为0。
• 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，与getAndAdd(int delta)相区分，从字面意思即可区分，前者返回相加后结果，后者先返回再相加。
• boolean compareAndSet(int expect, int update) ：如果当前值等于预期值，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网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》
• 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：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Demo
{
    // 初始值设为1
    static AtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("初始值 = " + atom);
        
        // 以原子的方式加1，注意是先返回原数值再加1
        System.out.println("调用getAndIncrement()返回值 = " + atom.getAndIncrement());
        System.out.println("调用getAndIncrement()后初始值变为 = " + atom);

        // 以原子的方式与指定数值相加，注意是先加再返回相加后的值
        System.out.println("调用addAndGet()返回值 = " + atom.addAndGet(10));
        System.out.println("调用addAndGet()后初始值变为 = " + atom);

        // 以原子的方式将当前值设为指定数值，注意是先返回原值再设为指定值
        System.out.println("调用getAndSet()返回值 = " + atom.getAndSet(-5));
        System.out.println("调用getAndSet()后初始值变为 = " + atom);

        // 如果当前值等于预期值（第一个参数），则以原子的方式将当前值设置为指定值，并返回true，否则返回false
        System.out.println("调用compareAndSet()返回值 = " + atom.compareAndSet(-5, 100));
        System.out.println("调用compareAndSet()后初始值变为 = " + atom);
    }
}

结果如下：

初始值 = 1
调用getAndIncrement()返回值 = 1
调用getAndIncrement()后初始值变为 = 2
调用addAndGet()返回值 = 12
调用addAndGet()后初始值变为 = 12
调用getAndSet()返回值 = 12
调用getAndSet()后初始值变为 = -5
调用compareAndSet()返回值 = true
调用compareAndSet()后初始值变为 = 100

那 AtomicInteger 怎么实现院子操作的呢，以 getAndIncrement() 为例，我们看看源码是怎样实现这个方法的

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        // 获取AtomicInteger当前对应的long值
        int current = get();
        // 将current加1
        int next = current + 1;
        // 通过CAS函数，更新current的值
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

getAndIncrement()首先会根据get()获取AtomicInteger对应的int值。该值是volatile类型的变量，当一个共享变量被volatile修饰时，它会保证修改的值会立即被更新到主存，当有其他线程需要读取时发现此时值改变了，它会去内存中读取新值。而普通的共享变量不能保证可见性，因为普通共享变量被修改之后，什么时候被写入主存是不确定的，当其他线程去读取时，此时内存中可能还是原来的旧值，因此无法保证可见性。

get()的源码如下：

// value是AtomicInteger对应的int值
private volatile int value;
// 返回AtomicInteger对应的int值
public final int get() {
    return value;
}

getAndIncrement()接着将current加1,然后通过CAS函数（乐观锁），将新的值赋值给value。compareAndSet()的源码如下：

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

调用 Unsafe 来实现

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

这段代码写得很巧妙：

1. compareAndSet 方法首先判断当前内存值this是否等于预期值current；

2. 如果当前值 = current，说明 AtomicInteger 类的值没有被其他线程修改，则将内存值更新为next

3. 如果当前值 != current，说明 AtomicInteger 类的值已经被其他类修改了，这时会再次进入循环重新获取更新后值并比较

valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的。

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，它提供了硬件级别的原子操作。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。

参考资料：

Java多线程系列--“JUC原子类”02之 AtomicLong原子类

Java中的Atomic包使用指南

java中的原子操作类AtomicInteger及其实现原理