JAVA多线程提高五:原子性操作类的应用

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包里也提供了很多类，大致可以属于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、原子更新引用和原子更新属性（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

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Long类型。

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。
• int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
• 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？》。
• int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值

AtomicInteger示例：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());

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的源码如下：

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

首先我们看getAndIncrement方法，它只是对unsafe类的简单包装，具体逻辑都在unsafe里。再看getAndAddInt方法，该方法首先通过this.getIntVolatile(var1, var2); 获取var1指向的内存地址里var2的值，这里也就是获取旧的值；然后通过CAS的方式更新值为var5+var4，更新失败进入自循。

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。

// AtomicBoolean
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
    int e = expect ? 1 : 0;
    int u = update ? 1 : 0;
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}

// AtomicDouble
public final boolean compareAndSet(double expect, double update) {
    return updater.compareAndSet(this,Double.doubleToRawLongBits(expect),Double.doubleToRawLongBits(update));
}

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包提供了一下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。

上述几个类提供的方法几乎一样，我们以AtomicIntegerArray类为例讲解，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

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]);
}

输出接结果：

3
1

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

构造方法：

/**
 * Creates a new AtomicIntegerArray with the same length as, and
 * all elements copied from, the given array.
 *
 * @param array the array to copy elements from
 * @throws NullPointerException if array is null
 */
public AtomicIntegerArray(int[] array) {
    // Visibility guaranteed by final field guarantees
    this.array = array.clone();
}

三、原子更新引用类型

原子更新基本类型的AtomicInterger，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，所以此处我们仅以AtomicReference为例进行讲解，AtomicReference的使用示例

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;
    }
}

// 运行结果
Shinichi
17

其实现原理是依靠了unsafe.compareAndSwapObject方法。

public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
    return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}

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。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。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，此处仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdate

// 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));
}
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;
    }
}

运行结果如下：

10

11