第七章 Java中的13个原子操作类

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JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic（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包里一共提供了13个类，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。

原子更新基本类型类

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：原子更新长整型

以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以本节仅以AtomicInteger为例进行详解，AtomicInteger的常用方法如下：

（1）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

（2）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

（3）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

（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)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值

AtomicInteger示例代码如下

public class AtomicIntegerTest {

    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

输出1 2

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

  public final int getAndIncrement(){
        for(;;){
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if(compareAndSet(current, next)) return current;
        }
    }

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

 

源码中for循环体的第一步先取得AtomicInteger里存储的数值，第二步对AtomicInteger的当前数值进行加1操作，关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作，该方法先检查当前数值是否等于current，等于意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过，则将AtomicInteger的当前值更新成next的值，如果不等compareAndSet方法会返回false，程序会进入for循环重新进行compareAndSet操作。

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，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。

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下4个类：

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素
• AtomicLongArray：原子更新引用类型数组里的元素
• AtomicIntegerArray：主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用的方法如下
  • int addAndSet(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的元素设置成update值

以上几个类提供的方法几乎一样，本节仅以AtomicIntegerArray为例进行详解

public class AtomicIntegerArrayTest {

    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

3

1

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。

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
• AtomicReferenceFieldUpdate：原子更新引用类型里的字段
• AtomicMarkableReference：原子更新带有标记的引用类型。可以原子更新一个布尔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，本节以AtomicReference为例

public class AtomicReferenceTest {

    public static AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference();

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("ff", 15);
        atomicReference.set(user);
        User updateUser = new User("XX",17);
        atomicReference.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(atomicReference.get().getName());
        System.out.println(atomicReference.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 void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getOld() {
            return old;
        }

        public void setOld(int old) {
            this.old = old;
        }
    }
}

输出

XX
17

代码中首先构建一个user对象，然后把user对象设置进AtomicReference中，最后调用compareAndSet方法进行原子更新操作，实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法。

原子更新字段类

如果需要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newUpdate()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，本节以AtomicIntegerFieldUpdater为例

public class AtomicIntegerFieldUpdateTest {

    //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> af = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");

    public static void main(String[] args) {
        //设置年龄是10岁
        User user = new User("ff", 10);
        //增加一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(af.getAndIncrement(user));
        //输出现在的年龄
        System.out.println(af.get(user));
    }

    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 void setName(String name) {
            this.name = name;
        }

        public int getOld() {
            return old;
        }

        public void setOld(int old) {
            this.old = old;
        }
    }
}

输出

10

11