Java中的原子操做類

轉載： 《ava併發編程的藝術》第7章

當程序更新一個變量時，若是多線程同時更新這個變量，可能獲得指望以外的值，好比變量i=1，A線程更新i+1，B線程也更新i+1，通過兩個線程操做以後可能i不等於3，而是等於2。由於A和B線程在更新變量i的時候拿到的i都是1，這就是線程不安全的更新操做，一般咱們會使用synchronized來解決這個問題，synchronized會保證多線程不會同時更新變量i。

而Java從JDK 1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包（如下簡稱Atomic包），這個包中的原子操做類提供了一種用法簡單、性能高效、線程安全地更新一個變量的方式。

由於變量的類型有不少種，因此在Atomic包裏也提供了不少類，大體能夠屬於4種類型的原子更新方式，分別是原子更新基本類型、原子更新數組、原子更新引用和原子更新屬性（字段）。Atomic包裏的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。

原子更新基本類型

使用原子的方式更新基本類型，Atomic包提供瞭如下3個類。

• AtomicBoolean:原子更新布爾類型。
• AtomicInteger：原子更新整型。
• AtomicLong：原子更新Long類型。

以上3個類提供的方法幾乎如出一轍，因此本節僅以AtomicInteger爲例進行講解，AtomicInteger的經常使用方法以下：

• int addAndGet(int delta)： 以原子方式將輸入的數值與實例中的值（AtomicInteger裏的value）相加，並返回結果。
• boolean compareAndSet(int expect，int update)：若是輸入的數值等於預期值，則以原子方式將該值設置爲輸入的值。
• int getAndIncrement()：以原子方式將當前值加1，注意，這裏返回的是自增前的值。
• int getAndSet（int newValue）：以原子方式設置爲newValue的值，並返回舊值。
• void lazySet（int newValue）：最終會設置成newValue，使用lazySet設置值後，可能致使其餘線程在以後的一小段時間內仍是能夠讀到舊的值。關於該方法的更多信息能夠參考併發編程網翻譯的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工做的？》。
• int getAndSet（int newValue）：以原子方式設置爲newValue的值，並返回舊值

AtomicInteger示例：

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

那麼getAndIncrement是如何實現原子操做的呢？讓咱們一塊兒分析其實現原理，getAndIncrement的源碼以下：

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;
}

首先咱們看getAndIncrement方法，它只是對unsafe類的簡單包裝，具體邏輯都在unsafe裏。再看getAndAddInt方法，該方法首先經過this.getIntVolatile(var1, var2); 獲取var1指向的內存地址裏var2的值，這裏也就是獲取舊的值；而後經過CAS的方式更新值爲var5+var4，更新失敗進入自循。

Atomic包提供了3種基本類型的原子更新，可是Java的基本類型裏還有char、float和double等。那麼問題來了，如何原子的更新其餘的基本類型呢？Atomic包裏的類基本都是使用Unsafe實現的，讓咱們一塊兒看一下Unsafe的源碼。

/**
* 若是當前數值是expected，則原子的將Java變量更新成x
* @return 若是更新成功則返回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 );

經過代碼，咱們發現Unsafe只提供了3種CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源碼，發現它是先把Boolean轉換成整
型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，因此原子更新char、float和double變量也能夠用相似
的思路來實現。

// 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));
}

原子更新數組

經過原子的方式更新數組裏的某個元素，Atomic包提供了一下4個類：

• AtomicIntegerArray：原子更新整型數組裏的元素。
• AtomicLongArray：原子更新長整型數組裏的元素。
• AtomicReferenceArray：原子更新引用類型數組裏的元素。

上述幾個類提供的方法幾乎同樣，咱們以AtomicIntegerArray類爲例講解，其經常使用方法以下：

• int addAndGet(int i , int delta)：以原子方式將輸入值與數組中索引i的元素相加。
• boolean compareAndSet(int i , int expect , int update)：若是當前值等於預期值，則以原子方式將數組位置i的元素設置成update值。

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]);
}

輸出接結果：

3
1

須要注意的是，數組value經過構造方法傳遞進去，而後AtomicIntergerArray會將當前數組複製一份，因此當AtomicIntergerArray對內部的數組元素進行修改時，不會影響傳入的數組。

構造方法：

/**
 * 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();
}

原子更新引用類型

原子更新基本類型的AtomicInterger，只能更新一個變量，若是要原子更新多個變量，就須要使用這個原子更新引用類型提供的類。Atomic包提供瞭如下3個類：

• AtomicReference：原子更新引用類型
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型裏的字段。
• AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用類型。能夠原子更新一個布爾類型的標記位和引用類型。構造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，boolean initialMark）。

以上幾個類提供的方法幾乎同樣，因此此處咱們僅以AtomicReference爲例進行講解，AtomicReference的使用示例代碼以下：

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;
    }
}

// 運行結果
Shinichi
17

其實現原理是依靠了unsafe.compareAndSwapObject方法。

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

原子更新字段類

若是需原子地更新某個類裏的某個字段時，就須要使用原子更新字段類，Atomic包提供瞭如下3個類進行原子字段更新。

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型字段的更新器。
• AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用類型。該類將整數值與引用關聯起來，可用於原子的更新數據和數據的版本號，能夠解決使用CAS進行原子更新時可能出現的ABA問題。

要想原子地更新字段類須要兩步。第一步，由於原子更新字段類都是抽象類，每次使用的時候必須使用靜態方法newUpdater()建立一個更新器，而且須要設置想要更新的類和屬性。第二步，更新類的字段（屬性）必須使用public volatile修飾符。

以上3個類提供的方法幾乎同樣，此處僅以AstomicIntegerFieldUpdater爲例進行講解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代碼以下：

// 建立原子更新器,並設置須要更新的對象類和對象的屬性
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.
        newUpdater(User.class, "old");
public static void main(String[] args) {
    // 設置柯南的年齡是10歲
    User conan = new User("conan", 10);
    // 柯南長了一歲,可是仍然會輸出舊的年齡
    System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
    // 輸出柯南如今的年齡
    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;
    }
}

運行結果以下：

10
11