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JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（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为例进行讲解，

AtomicInteger的常用方法如下。

· 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。

· 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。

· 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。

· 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。

·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：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class AtomicIntegerTest {
		static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1); 
    public static void main(String[] args) {
   			 System.out.println(ai.getAndIncrement()); System.out.println(ai.get());
    }
}

输出结果如下：

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，

getAndIncrement的源码：

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的当前数值更新成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。那么问题来了，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，让我们一起看一下Unsafe的源码：

/** 
 
* 如果当前数值是expected，则原子的将Java变量更新成x 
 
* @return 如果更新成功则返回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);  

通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compare- AndSwapInt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。

7.2 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：原子更新长整型数组里的元素。

· AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。

· AtomicIntegerArray类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。

· int addAndGet（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，所以本节仅以AtomicIntegerArray为例进行讲解，

AtomicIntegerArray的使用实例代码：

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]);  
    }  
}  

以下是输出的结果。

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。

7.3 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。

· 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，boolean initialMark）。

以上几个类提供的方法几乎一样，所以本节仅以AtomicReference为例进行讲解，

AtomicReference的使用示例代码：

public class AtomicReferenceTest {

    public static AtomicReference atomicUserRef = new AtomicReference();

    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;
        }
    }
}

代码中首先构建一个user对象，然后把user对象设置进AtomicReferenc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。代码执行后输出结果如下。

Shinichi

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7.4 原子更新字段类

如果需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newUpdater()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，所以本节仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

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

    public static void main(String[] args) {

       // 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("conan"， 10);

       // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));

      // 输出柯南现在的年龄
        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;
        }
    }
}

代码执行后输出如下。

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