Atomic 原子类详解

一、介绍

　　在 Java 1.5后引入了原子类操作类，这些操作的加入，让我们不用锁即可以实现原子操作，更加高效，简洁。

　　Atomic包下所有的原子类都只适用于单个元素，即只能保证一个基本数据类型、对象、或者数组的原子性。根据使用范围，可以将这些类分为四种类型，分别为原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用、原子更新属性。

 

1、原子更新基本类型

　　原子更新基本类型包括 AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean 三种，分别对应3种基本数据类型，并且提供了几项基本操作：

// 获取当前值，然后自加，相当于i++
getAndIncrement()
// 获取当前值，然后自减，相当于i--
getAndDecrement()
// 自加1后并返回，相当于++i
incrementAndGet()
// 自减1后并返回，相当于--i
decrementAndGet()
// 获取当前值，并加上预期值
getAndAdd(int delta)
// 获取当前值，并设置新值
int getAndSet(int newValue)

2、原子更新引用类型

　　基本数据类型只能更新单个变量，如果要更新多个变量就需要用原子更新引用类型，引用类型的原子类包括AtomicReference、AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference三个。

　　AtomicReference：引用原子类。

　　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，可用于解决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。（关于CAS及ABA问题后文详细分析）

　　AtomicMarkableReference：原子类更新带有标记的引用类型，该类将 boolean值与引用关联起来。

3、原子类更新数组

　　这里原子更新数组并不是对数组本身的原子操作，而是对数组中的元素。主要包括3个类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray及AtomicReferenceArray，分别表示原子更新整数数组的元素、原子更新长整数数组的元素以及原子更新引用类型数组的元素

 

4、原子更新对象属性

如果直选哟更新某个对象中的某个字段，可以使用更新对象字段的原子类。包括三个类，AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater以及AtomicReferenceFieldUpdater。需要注意的是这些类的使用需要满足以下条件才可。

• 被操作的字段不能是static类型；
• 被操纵的字段不能是final类型；
• 被操作的字段必须是volatile修饰的；
• 属性必须对于当前的Updater所在区域是可见的。

二、CAS

　　CAS操作是原子类实现的核心操作，CAS是Compare And Swap的简称，即比较并交换的意思。CAS是一种无锁算法，其算法思想如下：

 

　　CAS的函数公式：compareAndSwap(V,E,N)； 其中V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示期望更新的值。调用compareAndSwap函数来更新变量V，如果V的值等于期望值E，那么将其更新为N，如果V的值不等于期望值E，则说明有其它线程跟新了这个变量，此时不会执行更新操作，而是重新读取该变量的值再次尝试调用compareAndSwap来更新。

　　

　　可见CAS其实存在一个循环的过程，如果有多个线程在同时修改这一个变量V，在修改之前会先拿到这个变量的值，再和变量对比看是否相等，如果相等，则说明没有其它线程修改这个变量，自己更新变量即可。如果发现要修改的变量和期望值不一样，则说明再读取变量V的值后，有其它线程对变量V做了修改，那么，放弃本次更新，重新读变量V的值，并再次尝试修改，直到修改成功为止。这个循环过程一般也称作自旋，CAS操作的整个过程如下图所示：

 

 

CAS的缺点：

 

1、只能保证单个变量共享变量都原子性，如果要保证多个变量或者代码块块的原子性就必须加锁

 

2、存在内存开销问题，自旋会占用一定的cup资源

 

3、ABA问题：

因为CAS是通过检查值有没有发生改变来保证原子性的，假若一个变量V的值为A，线程1和线程2同时都读取到了这个变量的值A，此时线程1将V的值改为了B，然后又改回了A，期间线程2一直没有抢到CPU时间片。知道线程1将V的值改回A后线程2才得到执行。那么此时，线程2并不知道V的值曾经改变过。这个问题就被成为ABA问题。

ABA问题的解决其实也容易处理，即添加一个版本号，更次更新值同时也更新版本号即可。上文中提到的AtomicStampedReference就是用来解决ABA问题的。

 

CPU对 CAS 的支持：

　　在操作系统中CAS是一种系统原语，原语由多条指令组成，且原语的执行是连续不可中断的。因此CAS实际上是一条CPU的原子指令，虽然看上去CAS是一个先比较再交换的操作，但实际上这个过程是由CPU保证了原子操作。

 

三、原子类的实现 - UnSafe类 - 直接操作内存

　　Unsafe是一个神奇且鲜为人知的Java类，因为在平时开发中很少用到它。但是这个类中为我们提供了相当多的功能，它即可以让Java语言像C语言指针一样操作内存，同时还提供了CAS、内存屏障、线程调度、对象操作、数组操作等能力,如下图：