[并发编程系列]Java中的原子操作类

1. 原子操作类的作用

当程序更新一个变量时，如果多个线程同时更新该变量，可能会得到期望以外的值。比如i=1， 线程A更新i+1， 同时线程B更新I+1,经过两个线程的操作，最终变量i的值可能不是3，而是2。因为线程A、B拿到的i的值都是1，这就是线程不安全的更新操作。我们可以用synchronized来解决这样的问题，synchronized可以保证多线程之间的同步，以保证多个线程不会同时操作变量i。 但是在JDK1.5开始，就提供了java.util.concurrent.atomic包，这个包中的原子操作类提供了更为简单高效、线程安全的方式来更新一个变量的值。

2. 原子操作类基本分类

• 原子更新基本类型(3个)
  1. AtomicBoolean 原子更新布尔类型
  2. AtomicInteger 原子更新整型
  3. AtomicLong 原子更新长整型
• 原子更新数组(3个)
  1. AtomicIntegerArray 原子更新整形数组中的元素
  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
• 原子更新引用类型(3个)
  1. AtomicReference 原子更新引用类型
  2. AtomicReferenceFieldUpdater 原子更新引用类型中的字段
  3. AtomicMarkableReference 原子更新带有标记位的引用类型
• 原子更新字段类(3个)
  1. AtomicIntegerFieldUpdater 原子更新整形字段
  2. AtomicLongFieldUpdater 原子更新长整型字段
  3. AtomicStampedReference 原子更新带有版本号的引用类型

3. CAS方式实现原子操作基本原理

JVM中CAS操作主要是利用了处理器提供的CMPXCHG执行实现。基本的思路就是利用循环进行CAS操作，直到成功为止。CAS主要涉及到三个操作数，内存中的值(V)、旧的预期值(A)、需要修改的新值(B)，当且仅当V==A时，才会将V值修改为B值，否则什么都不做，并且通过一个布尔值返回结果。伪代码如下：

//伪代码
boolean compareAndSwap(V,A,B){    
            for(;;){        
                if(V==A)
                    V=B;//替换旧值
    }
}

4. CAS方式产生的问题(3个)

1. ABA问题： CAS操作时，检查值有没有变化，如果没有变化则更新，但是如果一个值原来是A，中间变成了B，然后又变为A，CAS进行检查时，就会发现它的值没有变化，但是实际上却已经变化了。解决ABA问题，可以在变量前加一个版本号，变量更新时，版本号就加1.
2. 循环时间长，开销大： CAS采用的是自循的方式进行检查，如果长时间不成功，那么就会给CPU带来非常大的开销。
3. 只能保证一个共享变量的原子操作： 当对一个共享变量进行原子操作时，我们可以采用CAS的方式进行更新，但是如果对多个共享变量进行操作时，CAS就无法保证操作的原子性，那么这个时候就需要用锁来实现。

5. 原子操作类中主要的方法

• boolean compareAndSet(int expect, int update) ；如果输入的值等于预期值，那么以原子的方式将该值设为输入的值。
• int addAndGet(int delta)；以原子的方式将输入的数值与实例中的值相加，并返回更新之后的值
• int getAndAdd(int delta); 以原子的方式将输入的数值与实例中的值相加，并返回旧值
• int getAndSet(int newValue)；以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值

通过阅读源码，可以发现CAS操作都是使用Unsafe类下的方法进行操作，而Unsafe类只提供了三种CAS方法：

• compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
• compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
• compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

所以，对于其他类型的原子操作，都是进行类型转换，将其类型转换为这三种类型，然后进行原子操作。如Boolean型的，先转成整整，然后在使用compareAndSwapInt进行操作；所以像char/float/double/short…等都可以按照这种思路实现。