Java中的原子类

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在前面的内容中，我们已经学习了CAS的原理，所以对于学习本节来说会非常容易。本节介绍Java中的原子类是java.util.concurrent.atomic包下的对象，他们之所以有原子性的共性，都来源于CAS，可见CAS的重要性。对于原子类变量的操作是不会存在并发性问题的，不需要使用同步手段进行并发控制。它底层自身的实现即可保证变量的可见性以及操作的原子性，一般我们可以使用AtomicInteger，AtomicLong等实现计数器等功能，利用AtomicBoolean实现标志位等功能。

原子类是JDK5提供的，当时只有12个原子类，发展到JDK8时，又多出了4个原子类，如下图2-25所示，红色框内为JDK8新增加的。

图2-25 Java16个原子类

下面我们来对这些原子类进行分类讲解。

2.10.1原子更新基本类型

l AtomicBoolean: 原子更新布尔类型。

l AtomicInteger: 原子更新整型。

l AtomicLong: 原子更新长整型。

我们以AtomicInteger为例，AtomicIngeter的常用方法如下：

n int addAndGet(int delta): 以原子的方式将参数与实例中的值相加，并返回结果。

n boolean compareAndSet(int expect, int update): 如果输入的值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。

n int getAndIncrement(): 以原子的方式将当前值加1，然后返回自增前的值，也就是旧值。此方法也是比较常用的方法，可以用来做计数器。

n 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。

n int getAndSet(int newValue): 以原子的方式设置为newValue,并返回旧值。

n int incrementAndGet(): 和getAndIncrement一样，他返回的是自增后的值。

记得在讲解CAS应用的代码案例中，使用过原子自增的方法，下面我们看看getAndIncrement() 是如何实现原子操作的，请看2-45示例代码中AtomicInteger部分源码。

代码清单2-45 AtomicInteger.java

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

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

        return var5;
    }

我们取得了旧值，然后把要加的数传过去，调用getAndAddInt () 进行原子更新操作，实际最核心的方法是 compareAndSwapInt()，使用CAS进行更新。我们Unsafe只提供了3中CAS操作，另外注意，AtomicBoolean 是把Boolean转成整型，在使用 compareAndSwapInt 进行操作的。在atomic包里的对象基本都是使用Unsafe提供的3中CAS操作的方法实现的，请看Unsafe源码，如代码清单2-46所示。

代码清单2-46 Unsafe.java

/**
 * 如果当前数值是var4，则原子的将java变量更新成var5或var6
 * @return 如果更新成功返回true
 */
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

2.10.2原子更新数组

l AtomicIntegerArray: 原子更新整型数组里的元素。

l AtomicLongArray: 原子更新长整型数组里的元素。

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

这三个类的最常用的方法是如下两个方法：

n get(int index)：获取索引为index的元素值。

n 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 的元素设置为update值。

2.10.3原子更新引用类型

l AtomicReference: 原子更新引用类型。

l AtomicReferenceFieldUpdater: 原子更新引用类型的字段。

l AtomicMarkableReferce: 原子更新带有标记位的引用类型，可以使用构造方法更新一个布尔类型的标记位和引用类型。

这三个类提供的方法都差不多，首先构造一个引用对象，然后把引用对象set进Atomic类，然后调用compareAndSet等一些方法去进行原子操作，原理都是基于Unsafe实现，但AtomicReferenceFieldUpdater略有不同，更新的字段必须用volatile修饰。下面我们使用原子引用类型写一个简单的Demo，请看示例代码2-47所示

代码清单2-47 AtomicReferenceDemo.java

public class AtomicReferenceDemo {
    public static AtomicReference<User> ai = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args) {

        User u1 = new User("pangHu", 18);
        ai.set(u1);
        User u2 = new User("pangPang", 15);
        ai.compareAndSet(u1, u2);
        System.out.println(ai.get().getAge() + ai.get().getName());
    }

    static class User {
        private String name;
        private int age;
 //省略getter、settrt
    }
}

输出结果。

15pangPang

2.10.4原子更新字段类

如果需要原子的更新类里某个字段时，需要用到原子更新字段类，Atomic包提供了3个类进行原子字段更新：

l AtomicIntegerFieldUpdater: 原子更新整型的字段的更新器。

l AtomicLongFieldUpdater: 原子更新长整型字段的更新器。

l AtomicStampedFieldUpdater: 原子更新带有版本号的引用类型。该方法比较重要，他和引用类型加上一个整数值，可以控制数据的版本号，这样就可以解决CAS更新时可能出现的ABA问题。和引用类型一样更新类的字段必须使用 public volatile 修饰。

2.10.5 JDK8新增原子类简介

l DoubleAccumulator

l LongAccumulator

l DoubleAdder

l LongAdder

下面以 LongAdder 为例介绍一下，并列出使用注意事项。

这些类对应把 AtomicLong 等类的改进。比如 LongAccumulator 与 LongAdder 在高并发环境下比 AtomicLong 更高效。

Atomic、Adder在低并发环境下，两者性能很相似。但在高并发环境下，Adder 有着明显更高的吞吐量，但是有着更高的空间复杂度。

LongAdder其实是LongAccumulator的一个特例，调用LongAdder相当使用下面的方式调用LongAccumulator。

sum()方法在没有并发的情况下调用，如果在并发情况下使用会存在计数不准，下面有代码为例。

LongAdder不可以代替AtomicLong，虽然 LongAdder的add()方法可以原子性操作，但是并没有使用 Unsafe 的CAS算法，只是使用了CAS的思想。

LongAdder其实是LongAccumulator的一个特例，调用LongAdder相当使用下面的方式调用LongAccumulator，LongAccumulator提供了比LongAdder更强大的功能，构造函数其中accumulatorFunction一个双目运算器接口，根据输入的两个参数返回一个计算值，identity则是LongAccumulator累加器的初始值。

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