Java并发之原子操作类汇总

当程序更新一个变量时，如果是多线程同时更新这个变量，可能得到的结果与期望值不同。比如：有一个变量i，A线程执行i+1,B线程也执行i+1，经过两个线程的操作后，变量i的值可能不是期望的3，而是2。这是因为，可能在A线程和B线程执行的时候拿到的i的值都是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能保证多线程不会同时更新变量i.

从java1.5开始，jdk提供了java.util.concurrent.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，线程安全的更新一个变量的方式。

atomic包里面一共提供了13个类，分为4种类型，分别是：原子更新基本类型，原子更新数组，原子更新引用，原子更新属性，这13个类都是使用Unsafe实现的包装类。

一、原子更新基本类型

atomic提供了3个类用于原子更新基本类型：分别是AtomicInteger原子更新整形，AtomicLong原子更新长整形，AtomicBoolean原子更新bool值。由于这三个类提供的方法几乎是一样的，因此本节以AtomicInteger为例进行说明。

　　AtomicInteger的常用方法有：

　　　　1.int addAndGet(int delta)：以原子的方式将输入的值与实例中的值相加，并把结果返回

　　　　2.boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果输入值等于预期值，以原子的方式将该值设置为输入的值

　　　　3.final int getAndIncrement()：以原子的方式将当前值加1，并返回加1之前的值

　　　　4.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。

　　　　5.int getAndSet(int newValue)：以原子的方式将当前值设置为newValue,并返回设置之前的旧值

　　getAndIncremen是如何实现原子操作的呢？让我们看一下getAndIncremen的实现代码，并分析实现原理。getAndIncremen的实现代码如下：　　

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

　　我们可以看到getAndIncrement调用了unsafe的getAndAddInt，getAndAddInt的实现：

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;
    }

　　getAndAddInt调用了Unsafe的native方法：getIntVolatile和compareAndSwapInt，在do-while循环中先取得当前值，然后通过CAS判断当前值是否和current一致，如果一致意味着值没被其他线程修改过，把当前值设置为当前值+var4，，如果不相等程序进入信的CAS循环。

由于atomic只提供了int,long和boolean的原子操作类，那么其他的基本类型，如byte,char,float,double如何实现原子操作呢，原子操作都是通过Unsafe实现的，让我们看一下Unsafe的实现

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

　　Unsafe只提供了三种CAS方法: compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compateAndSwapLong,其他类型都是转成这三种类型再使用对应的方法去原子更新的。

AtomicBoolean介绍与使用

AtomicInteger类的使用

二、原子更新数组

　　atomic里提供了三个类用于原子更新数组里面的元素，分别是：

　　AtomicIntegerArray：原子更新整形数组里的元素

　　AtomicLongArray：原子更新长整形数组里的元素

　　AtomicReferenceArray：原子更新引用数组里的元素

　　因为每个类里面提供的方法都一致，因此以AtomicIntegerArray为例来说明。AtomicIntegerArray主要提供了以原子方式更新数组里的整数，常见方法如下：

　　int addAndGet(int i, int delta)：以原子的方式将输入值与数组中索引为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。

　　实例如下：

public class AtomicIntegerArrayTest {

    private static int[] value = new int[]{1,2,3};
    private static AtomicIntegerArray atomicInteger = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args){
        atomicInteger.getAndSet(0,12);
        System.out.println(atomicInteger.get(0));
        System.out.println(value[0]);
    }

}

　　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，不会影响传入的数组。

三、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，如果要原子更新多个变量，就需要使用原子更新引用类型提供的类了。原子引用类型atomic包主要提供了以下几个类：

　　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，booleaninitialMark）

　　以上类中提供的方法基本一致，我们以AtomicReference为例说明：

public class AtomicReferenceTest {

    private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("tom",23);
        reference.set(user);
        User updateUser = new User("ketty",34);
        reference.compareAndSet(user,updateUser);
        System.out.println(reference.get().getName());
        System.out.println(reference.get().getAge());
    }


    static class User{

        private String name;
        private int age;

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

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }
    }
}

上述代码中首先创建一个user对象，然后把user对象设置进AtomicReference中，最后通过compareAndSet做原子更新操作，运行结果如下：

ketty
34

四、原子更新字段类

如果需要原子更新某个对象的某个字段，就需要使用原子更新属性的相关类，atomic中提供了一下几个类用于原子更新属性：

　　AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整形属性的更新器

　　AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整形的更新器

　　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。

　　想要原子的更新字段，需要两个步骤：

　　1.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

　　2.更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符

　　本节仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下：

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    //创建原子更新器
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("ketty",21);
        //ketty长了一岁
        updater.getAndIncrement(user);
        System.out.println(updater.get(user));
    }

    static class User{

        private String name;
        public volatile int age;

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

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }
    }
}

　　如果age的修饰符号不是 public volatile,回报一下错误：

Exception in thread "main" java.lang.ExceptionInInitializerError
Caused by: java.lang.RuntimeException: java.lang.IllegalAccessException: Class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest can not access a member of class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest$User with modifiers "private"
    at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:405)
    at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicIntegerFieldUpdater.java:88)
    at com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest.<clinit>(AtomicIntegerFieldUpdaterTest.java:8)
Caused by: java.lang.IllegalAccessException: Class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest can not access a member of class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest$User with modifiers "private"
    at sun.reflect.Reflection.ensureMemberAccess(Reflection.java:102)
    at sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(ReflectUtil.java:103)
    at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:394)
    ... 2 more