彻底理解Java并发：Java并发原子类

本篇内容包括：原子类概述、原子类分类（Atomic 基本类型原子类、Array 数组类型原子类、Atomic\Reference 引用类型原子类、Atomic\FieldUpdater 原子更新属性、Adder 加法器、Accumulator 积累器）、原子类 Demo 等内容！

一、原子类概述

我们把一个或者多个操作在 CPU 执行的过程中不能被中断的特性称之为原子性。

在 Jdk1.5 开始 Java 开始引进提供了 java.util.concurrent.atomic 包，到 Jdk8 时，atomic 包共提供了 16 个原子类，分为 6 种类型，分别是：①、基本类型原子类；②、数组类型原子类；③、引用类型原子类；④、原子更新属性；⑤、Adder 加法器；⑥、积累器。

当多线程更新变量的值时，可能得不到预期的值，当然增加 syncronized 关键字可以解决线程并发的问题。但原子类提供了一种用法简单，性能高效，线程安全的更新变量的方式。原子类基本都是使用 Unsafe 实现的包装类，主要用到了 Unsafe 的系统层面的 CAS 实现。

原子类相较于 synchronized 关键字和 lock，有着以下的优点：

1. 简单：操作简单，底层实现简单
2. 高效：占用资源少，操作速度快
3. 安全：在高并发和多线程环境下要保证数据的正确性

对于是需要简单的递增或者递减的需求场景，使用 synchronized 关键字和 lock 固然可以实现，但代码写的会略显冗余，且性能会有影响，此时用原子类更加方便。

二、原子类分类

atomic 包共提供了 16 个原子类，分为 6 种类型：

1、Atomic（基本类型原子类）

Atomic 基本类型原子类，包括三种：AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicBoolean。

AtomicInteger、 AtomicLong、 AtomicBoolean 提供对 int、long、boolean 的原子性操作，这 3 个类提供的方法几乎一模一样。以 AtomicInteger 为例，它包含如下常用的方法：getAndAdd() 返回旧值；addAndGet() 返回新值；getAndIncrement() 加1；incrementAndGet()、compareAndSet() 原子替换值等。

对于其他基本类型的变量，如 char、float、double，可以先转换为整型，然后再进行原子操作。例如，AtomicBoolean 就是先把 Boolean 转换成整型，再使用 compareAndSwaplnt 进行 CAS 操作。

2、Array（数组类型原子类）

Array 数组类型原子类，包括三种：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray。

AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray 提供对 int、long、boolean 的数组元素的原子性操作。原子替换数组中的元素：求i个元素的偏移量，提高位移运算，提高性能。

3、Atomic\Reference（引用类型原子类）

Atomic\Reference 引用类型原子类，包括三种：AtomicReference、AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference。

AtomicReference 提供了对 对象类型的原子性操作。

AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 以版本戳的方式解决原子类型的 ABA 问题，其中 AtomicStampedReference 是原子更新带有标记位（整数）的引用类型；AtomicMarkableReference 是原子更新带有标记位（布尔）的引用类型。

4、Atomic\FieldUpdater（原子更新属性）

Atomic\FieldUpdater 原子更新属性，包括三种：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater。

Atomic\FieldUpdater 原子更新属性，提供对指定对象的指定字段进行原子性操作

如果一个类是自己编写的，则可以在编写的时候把成员变量定义为 Atomic 类型。但如果是一个已经有的类，在不能更改其源代码的情况下，要想实现对其成员变量的原子操作，就需要使用 AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater 三个类，将要使用的传给这个类，让其去做原子更新操作。

5、Adder（加法器）

Adder 加法器，包括两种：LongAdder 和 DoubleAdder。

Atomic 基本类型，可以保证多线程下的线程安全。但是，在并发量很大的场景下，Atomic 基本类型原子类（AtomicInteger 和 AtomicLong）有很大的性能问题。LongAdder 和 DoubleAdder 就是 Atomic 基本类型原子类的升级类型，专门用于数据统计，性能更高！

6、Accumulator（积累器）

Accumulator 积累器，包括两种：LongAccumulator 和 DoubleAccumulator。

Accumulator 和 Adder 非常相似，实际上 Accumulator 就是一个更通用版本的 Adder，比如 LongAccumulator 是 LongAdder 的功能增强版，因为 LongAdder 的 API 只有对数值的加减，而 LongAccumulator 提供了自定义的函数操作。

三、原子类Demo

这里以基本类型原子类中的 AtomicInteger 类为例，介绍通用的 API 接口和使用方法。

首先是几个常用的API：

// 以原子方式将给定值与当前值相加，可用于线程中的计数使用，（返回更新的值）。
int addAndGet（int delta）

// 以原子方式将给定值与当前值相加，可用于线程中的计数使用，（返回以前的值）
int getAndAdd（int delta）

// 以原子方式将当前值加 1（返回更新的值）
int incrementAndGet()

// 以原子方式将当前值加 1（返回以前的值）
int getAndIncrement() 

// 以原子方式设置为给定值（返回旧值）
int getAndSet(int newValue)

// 以原子方式将当前值减 1（返回更新的值）
int decrementAndGet() ：

// 以原子方式将当前值减 1（返回以前的值）
int getAndDecrement()

// 获取当前值
get()

这里定义一个临界变量 val，起 10 个异步线程，每个线程都是对这个临界变量进行 10000 次自增操作，如下：

public class AtomicWrongDemo {
    private int val = 0;

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化实例
        AtomicWrongDemo atomicWrongDemo = new AtomicWrongDemo();
        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            new Thread(atomicWrongDemo::increase).start();
        }
        // 让主线程休眠3秒，保证前面起的10个异步线程都执行完毕
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(atomicWrongDemo.getVal());
    }

    private void increase() {
        for (int i = 0; i < 20000; ++i) {
            ++this.val;
        }
        Thread t = Thread.currentThread();
        System.out.println("线程：" + t.getName() + "已经执行完毕，当前 val 结果为" + this.val);
    }

    private int getVal() {
        return this.val;
    }
}

运行结果会我们期望的 100000 少很多（操作数越大，距期望值相差越多），比如我这里结果为 39757，出现比 100000 少很多的结果，是因为自增操作 ++i 不是原子操作，出现了竞争，需要对临界变量做同步处理。

使用 synchronized 关键字和 lock 固然可以实现，但这里只是对临界变量 val++ 时做同步处理，有种高射炮打蚊子的感觉，且加锁后势必会对性能有所印象，这种场景正是我们使用 Atomic 类的场景，如下：

public class AtomicDemo {
    private AtomicInteger val = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) {
        // 初始化实例
        AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo();

        for (int i = 0; i < 10; ++i) {
            new Thread(atomicDemo::increase).start();
        }

        // 让主线程休眠3秒，保证前面起的10个异步线程都执行完毕
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(atomicDemo.getVal().toString());
    }

    private void increase() {
        for (int i = 0; i < 10000; ++i) {
            this.val.incrementAndGet();
        }
    }

    private AtomicInteger getVal() {
        return this.val;
    }
}

这里我们使用了 AtomicInterger 类的 increamentAndGet 方法，以原子方式将当前值加 1（返回更新的值），结果自然是每次运行都打印 100000，可以看到代码写起来很简洁，很轻量级。