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Java原子类

是什么

对多线程访问同一个变量，为了保证线程安全需要加锁，而锁是比较消耗性能的。Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.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。

jdk1.8新增原子类

DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder、Striped64

jdk1.8到目前为止在java.util.concurrent.atomic包下提供了17个原子类，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。

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原子更新基本类型类

使用原子的方式更新基本类型，包含如下几个：

AtomicBoolean：原子更新布尔类型。

AtomicInteger：原子更新整型。

AtomicLong：原子更新长整型。

LongAdder：jdk1.8新增，在高并发的场景下会比AtomicLong具有更好的性能，代价是消耗更多的内存空间【base以及Cell数组】。

DoubleAddr：jdk1.8新增

上述类提供方法基本一致，以AtomicInteger为例：

  • 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。

代码示例：

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：

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实现原理

    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            // 1
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

第一步先取得AtomicInteger里存储的数值；

第二步调用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var5（原值），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var5 + var4（新值），如果不等compareAndSet方法会返回false，程序会进入do while循环重新进行compareAndSet操作（自旋），直到值修改成功。

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。实际上Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的，Unsafe的源码：

/**
 * 如果当前数值是expected，则原子的将Java变量更新成x
 * 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);

Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong。

AtomicBoolean源码，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。

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原子更新数组

原子的方式更新数组里的某个元素，包含如下几个：

  • 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AtomicIntegerArray为例，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。

示例代码：

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]);
    }
}

输出：

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数组value通过构造方法传递进去，AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，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。如下：

  • 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）。

示例代码：

public class AtomicReferenceTest {
    public static AtomicReference<User> 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;
        }
    }
}

输出：

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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。

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，如下：

  • 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。
  • AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型属性的更新器。
  • 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：

  1. 原子更新字段类都是抽象类，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。
  2. 更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

示例代码：

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<User> 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;
        }
    }
}

输出：

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