Java多线程：AtomicIntegerArray 原子更新数组类

前言

原子更新数组类顾名思义，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。

以上3个类提供的方法几乎一模一样，以 AtomicIntegerArray 类为例，它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：

// 创建给定长度的新 AtomicIntegerArray。
AtomicIntegerArray(int length)
// 创建与给定数组具有相同长度的新 AtomicIntegerArray，并从给定数组复制其所有元素。
AtomicIntegerArray(int[] array)

/**
 *    返回值与函数名字相关，比如get在前就返回原始值再进行加减设置等操作，get在后则先进行操作再返回更新后的值
 * */

// 以原子方式将给定值添加到索引 i （从0开始）的元素。
int addAndGet(int i, int delta)
// 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)
// 以原子方式将索引 i 的元素减1。
int decrementAndGet(int i)
// 获取位置 i 的当前值。
int get(int i)
// 以原子方式将给定值与索引 i 的元素相加。
int getAndAdd(int i, int delta)
// 以原子方式将索引 i 的元素减 1。
int getAndDecrement(int i)
// 以原子方式将索引 i 的元素加 1。
int getAndIncrement(int i)
// 以原子方式将位置 i 的元素设置为给定值，并返回旧值。
int getAndSet(int i, int newValue)
// 以原子方式将索引 i 的元素加1。
int incrementAndGet(int i)
// 最终将位置 i 的元素设置为给定值。
void lazySet(int i, int newValue)
// 返回该数组的长度。
int length()
// 将位置 i 的元素设置为给定值。
void set(int i, int newValue)
// 返回数组当前值的字符串表示形式。
String toString()
// 如果位置 i 的元素当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
boolean weakCompareAndSet(int i, int expect, int update)

 

AtomicIntegerArray 的使用例子：

 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

public class Demo
{
    static AtomicIntegerArray atom = new AtomicIntegerArray(a);
    public static void main(String[] agrs)
    {
        int[] a = {1, 2, 3, 4, 5};

        System.out.println("原始数组：" + atom);

        System.out.println("调用addAndGet(1, 9)方法返回值：" + atom.addAndGet(1, 9));
        System.out.println("调用后数组为：" + atom);

        System.out.println("调用getAndDecrement(2)方法返回值：" + atom.getAndDecrement(2));
        System.out.println("调用后数组为：" + atom);

        System.out.println("调用incrementAndGet(3)方法返回值：" + atom.incrementAndGet(3));
        System.out.println("调用后数组为：" + atom);

        System.out.println("调用compareAndSet(4, 5, 100)方法返回值：" + atom.compareAndSet(4, 5, 100));
        System.out.println("调用后数组为：" + atom);
    }
}

 

打印结果为：

原始数组：[1, 2, 3, 4, 5]
调用addAndGet(1, 9)方法返回值：11
调用后数组为：[1, 11, 3, 4, 5]
调用getAndDecrement(2)方法返回值：3
调用后数组为：[1, 11, 2, 4, 5]
调用incrementAndGet(3)方法返回值：5
调用后数组为：[1, 11, 2, 5, 5]
调用compareAndSet(4, 5, 100)方法返回值：tr
调用后数组为：[1, 11, 2, 5, 100]

 

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。

源码如下：

    /**
     * Creates a new AtomicLongArray of the given length, with all
     * elements initially zero.
     *
     * @param length the length of the array
     */
    public AtomicLongArray(int length) {
        array = new long[length];
    }

    /**
     * Creates a new AtomicLongArray 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 AtomicLongArray(long[] array) {
        // Visibility guaranteed by final field guarantees
        this.array = array.clone();
    }

 

那这个类是如何做到原子性操作的呢？我们可以通过底层代码来看一下

下面仅以incrementAndGet()为例，对AtomicInteger的原理进行说明。

public final int incrementAndGet(int i) {
    return addAndGet(i, 1);
}
public int addAndGet(int i, int delta) {
    // 检查数组是否越界
    int offset = checkedByteOffset(i);
    while (true) {
        // 获取int型数组的索引 offset 的原始值
        int current = getRaw(offset);
        // 修改int型值
        int next = current + delta;
        // 通过CAS更新int型数组的索引 offset的值。
        if (compareAndSetRaw(offset, current, next))
            return next;
    }
}

incrementAndGet() 其实调用了 addAndGet() 方法，指定相加的数为1。在循环中，获取下表为 i 的元素的当前值，通过 compareAndSet() 方法与下标为 i 的元素的原始值进行对比，如果相同则进行更新，否则循环再执行一遍。

其中 getRaw() 和 compareAndSet() 方法都是调用了 Unsafe 类中的方法

private int getRaw(int offset) {
    return unsafe.getIntVolatile(array, offset);
}
private boolean compareAndSetRaw(int offset, int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);
}
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

Unsafe 这个类提供了硬件级别的原子操作，因为Java不能直接访问操作系统的底层，而只能通过本地方法（native）来访问，Unsafe 类中就提供了一些这样的本地方法。这些方法可以直接定位对象某字段的内存位置，也可对它进行修改。上面两个方法就是这样的。

 

参考资料：

Java多线程系列--“JUC原子类”03之 AtomicLongArray原子类

Java中的Atomic包使用指南