Java中atomic包中的原子操做类总结

时间  2019-11-08
标签 java atomic 原子 总结 栏目 Java 繁體版
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1. 原子操做类介绍

在并发编程中很容易出现并发安全的问题，有一个很简单的例子就是多线程更新变量i=1,好比多个线程执行i++操做，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最经常使用的方法是经过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的（关于synchronized能够看这篇文章）。可是因为synchronized是采用的是悲观锁策略，并非特别高效的一种解决方案。实际上，在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操做简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据，在java中则是使用CAS操做具体实现。java

2. 预备知识--CAS操做

可以弄懂atomic包下这些原子操做类的实现原理，就要先明白什么是CAS操做。数据库

什么是CAS?编程

使用锁时，线程获取锁是一种悲观锁策略，即假设每一次执行临界区代码都会产生冲突，因此当前线程获取到锁的时候同时也会阻塞其余线程获取该锁。而CAS操做（又称为无锁操做）是一种乐观锁策略，它假设全部线程访问共享资源的时候不会出现冲突，既然不会出现冲突天然而然就不会阻塞其余线程的操做。所以，线程就不会出现阻塞停顿的状态。那么，若是出现冲突了怎么办？无锁操做是使用CAS(compare and swap)又叫作比较交换来鉴别线程是否出现冲突，出现冲突就重试当前操做直到没有冲突为止。数组

CAS的操做过程安全

CAS比较交换的过程能够通俗的理解为CAS(V,O,N)，包含三个值分别为：V 内存地址存放的实际值；O 预期的值（旧值）；N 更新的新值。当V和O相同时，也就是说旧值和内存中实际的值相同代表该值没有被其余线程更改过，即该旧值O就是目前来讲最新的值了，天然而然能够将新值N赋值给V。反之，V和O不相同，代表该值已经被其余线程改过了则该旧值O不是最新版本的值了，因此不能将新值N赋给V，返回V便可。当多个线程使用CAS操做一个变量是，只有一个线程会成功，并成功更新，其他会失败。失败的线程会从新尝试，固然也能够选择挂起线程多线程

CAS的实现须要硬件指令集的支撑，在JDK1.5后虚拟机才可使用处理器提供的CMPXCHG指令实现。并发

Synchronized VS CASide

元老级的Synchronized(未优化前)最主要的问题是：在存在线程竞争的状况下会出现线程阻塞和唤醒锁带来的性能问题，由于这是一种互斥同步（阻塞同步）。而CAS并非武断的间线程挂起，当CAS操做失败后会进行必定的尝试，而非进行耗时的挂起唤醒的操做，所以也叫作非阻塞同步。这是二者主要的区别。工具

CAS的问题post

  1. ABA问题 由于CAS会检查旧值有没有变化，这里存在这样一个有意思的问题。好比一个旧值A变为了成B，而后再变成A，恰好在作CAS时检查发现旧值并无变化依然为A，可是实际上的确发生了变化。解决方案能够沿袭数据库中经常使用的乐观锁方式，添加一个版本号能够解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C。

  2. 自旋时间过长

使用CAS时非阻塞同步，也就是说不会将线程挂起，会自旋（无非就是一个死循环）进行下一次尝试，若是这里自旋时间过长对性能是很大的消耗。若是JVM能支持处理器提供的pause指令，那么在效率上会有必定的提高。

3. 原子更新基本类型

atomic包提升原子更新基本类型的工具类，主要有这些：

  1. AtomicBoolean：以原子更新的方式更新boolean；
  2. AtomicInteger：以原子更新的方式更新Integer;
  3. AtomicLong：以原子更新的方式更新Long；

这几个类的用法基本一致，这里以AtomicInteger为例总结经常使用的方法

  1. addAndGet(int delta) ：以原子方式将输入的数值与实例中本来的值相加，并返回最后的结果；
  2. incrementAndGet() ：以原子的方式将实例中的原值进行加1操做，并返回最终相加后的结果；
  3. getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
  4. getAndIncrement()：以原子的方式将实例中的原值加1，返回的是自增前的旧值；

还有一些方法，能够查看API，再也不赘述。为了可以弄懂AtomicInteger的实现原理，以getAndIncrement方法为例，来看下源码：

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

能够看出，该方法其实是调用了unsafe实例的getAndAddInt方法，unsafe实例的获取时经过UnSafe类的静态方法getUnsafe获取：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
复制代码

Unsafe类在sun.misc包下，Unsafer类提供了一些底层操做，atomic包下的原子操做类的也主要是经过Unsafe类提供的compareAndSwapInt，compareAndSwapLong等一系列提供CAS操做的方法来进行实现。下面用一个简单的例子来讲明AtomicInteger的用法：

public class AtomicDemo {
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}
输出结果：
1
2
复制代码

例子很简单，就是新建了一个atomicInteger对象，而atomicInteger的构造方法也就是传入一个基本类型数据便可，对其进行了封装。对基本变量的操做好比自增，自减，相加，更新等操做，atomicInteger也提供了相应的方法进行这些操做。可是，由于atomicInteger借助了UnSafe提供的CAS操做可以保证数据更新的时候是线程安全的，而且因为CAS是采用乐观锁策略，所以，这种数据更新的方法也具备高效性。

AtomicLong的实现原理和AtomicInteger一致，只不过一个针对的是long变量，一个针对的是int变量。而boolean变量的更新类AtomicBoolean类是怎样实现更新的呢?核心方法是compareAndSett方法，其源码以下：

public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
    int e = expect ? 1 : 0;
    int u = update ? 1 : 0;
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}
复制代码

能够看出，compareAndSet方法的实际上也是先转换成0,1的整型变量，而后是经过针对int型变量的原子更新方法compareAndSwapInt来实现的。能够看出atomic包中只提供了对boolean,int ,long这三种基本类型的原子更新的方法，参考对boolean更新的方式，原子更新char,doule,float也能够采用相似的思路进行实现。

4. 原子更新数组类型

atomic包下提供能原子更新数组中元素的类有：

  1. AtomicIntegerArray：原子更新整型数组中的元素；
  2. AtomicLongArray：原子更新长整型数组中的元素；
  3. AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组中的元素

这几个类的用法一致，就以AtomicIntegerArray来总结下经常使用的方法：

  1. addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加；
  2. getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增长1；
  3. compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为i的位置的元素进行更新

能够看出，AtomicIntegerArray与AtomicInteger的方法基本一致，只不过在AtomicIntegerArray的方法中会多一个指定数组索引位i。下面举一个简单的例子：

public class AtomicDemo {
    //    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
    private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {
        //对数组中索引为1的位置的元素加5
        int result = integerArray.getAndAdd(1, 5);
        System.out.println(integerArray.get(1));
        System.out.println(result);
    }
}
输出结果：
7
2
复制代码

经过getAndAdd方法将位置为1的元素加5，从结果能够看出索引为1的元素变成了7，该方法返回的也是相加以前的数为2。

5. 原子更新引用类型

若是须要原子更新引用类型变量的话，为了保证线程安全，atomic也提供了相关的类：

  1. AtomicReference：原子更新引用类型；
  2. AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段；
  3. AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型；

这几个类的使用方法也是基本同样的，以AtomicReference为例，来讲明这些类的基本用法。下面是一个demo

public class AtomicDemo {

    private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("a", 1);
        reference.set(user1);
        User user2 = new User("b",2);
        User user = reference.getAndSet(user2);
        System.out.println(user);
        System.out.println(reference.get());
    }

    static class User {
        private String userName;
        private int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}

输出结果：
User{userName='a', age=1}
User{userName='b', age=2}
复制代码

首先将对象User1用AtomicReference进行封装，而后调用getAndSet方法，从结果能够看出，该方法会原子更新引用的user对象，变为User{userName='b', age=2}，返回的是原来的user对象User{userName='a', age=1}。

6. 原子更新字段类型

若是须要更新对象的某个字段，并在多线程的状况下，可以保证线程安全，atomic一样也提供了相应的原子操做类：

  1. AtomicIntegeFieldUpdater：原子更新整型字段类；
  2. AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段类；
  3. AtomicStampedReference：原子更新引用类型，这种更新方式会带有版本号。而为何在更新的时候会带有版本号，是为了解决CAS的ABA问题；

要想使用原子更新字段须要两步操做：

  1. 原子更新字段类都是抽象类，只能经过静态方法newUpdater来建立一个更新器，而且须要设置想要更新的类和属性；
  2. 更新类的属性必须使用public volatile进行修饰；

这几个类提供的方法基本一致，以AtomicIntegerFieldUpdater为例来看看具体的使用：

public class AtomicDemo {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("a", 1);
        int oldValue = updater.getAndAdd(user, 5);
        System.out.println(oldValue);
        System.out.println(updater.get(user));
    }

    static class User {
        private String userName;
        public volatile int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
} 

输出结果：
1
6
复制代码

从示例中能够看出，建立AtomicIntegerFieldUpdater是经过它提供的静态方法进行建立，getAndAdd方法会将指定的字段加上输入的值，而且返回相加以前的值。user对象中age字段原值为1，加5以后，能够看出user对象中的age字段的值已经变成了6。

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