Java中的Atomic包使用指南

小灰灰 2022-05-16 10:05 159阅读 0赞

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本文首发于[并发网][http_ifeve.com_java-atomic]，作者：方腾飞

## 引言 ##

Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令，但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样，也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。

## Atomic包介绍 ##

在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，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字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

### 原子更新基本类型类 ###

用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类：

*  AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
 *  AtomicInteger：原子更新整型。
 *  AtomicLong：原子更新长整型。

AtomicInteger的常用方法如下：

*  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。关于该方法的更多信息可以参考并发网翻译的一篇文章《[AtomicLong.lazySet是如何工作的？][AtomicLong.lazySet]》
 *  int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

AtomicInteger例子代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>import</code>&nbsp;<code>java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>03</code></td> 
   <td><code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>AtomicIntegerTest { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>05</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>AtomicInteger ai =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>AtomicInteger(</code><code>1</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>07</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>void</code>&nbsp;<code>main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(ai.getAndIncrement());</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>09</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(ai.get());</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

输出

1
    2

### 餐后甜点 ###

Atomic包提供了三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。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢？Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的，让我们一起看下[Unsafe的源码][Unsafe]，发现Unsafe只提供了三种CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现其是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新double也可以用类似的思路来实现。

## 原子更新数组类 ##

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：

*  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。

AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型，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。

实例代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>AtomicIntegerArrayTest { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>03</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>int</code><code>[] value =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>int</code><code>[] {&nbsp;</code><code>1</code><code>,&nbsp;</code><code>2</code>&nbsp;<code>};</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>05</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>AtomicIntegerArray ai =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>AtomicIntegerArray(value);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>ai.getAndSet(</code><code>0</code><code>,&nbsp;</code><code>3</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>09</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(ai.get(</code><code>0</code><code>));</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>10</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(value[</code><code>0</code><code>]);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

输出

3
    1

AtomicIntegerArray类需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响到传入的数组。

## 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，如果要原子的更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下三个类：

*  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。可以原子的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)

AtomicReference的使用例子代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>AtomicReferenceTest { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>03</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>AtomicReference&lt;user&gt; atomicUserRef =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>AtomicReference&lt;/user&gt;&lt;user&gt;();</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>05</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>void</code>&nbsp;<code>main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>06</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>User user =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>User(</code><code>"conan"</code><code>,&nbsp;</code><code>15</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>07</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>atomicUserRef.set(user);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>User updateUser =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>User(</code><code>"Shinichi"</code><code>,&nbsp;</code><code>17</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>09</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>10</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(atomicUserRef.get().getName());</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>11</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>14</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>static</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>User { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>15</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>String name;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>16</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>int</code>&nbsp;<code>old;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>18</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>User(String name,&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>old) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>23</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>String getName() { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>24</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>name;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>27</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>int</code>&nbsp;<code>getOld() { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>28</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>old;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

输出

Shinichi
    17

## 原子更新字段类 ##

如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：

*  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。
 *  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。

原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子代码如下：

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>01</code></td> 
   <td><code>public</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>AtomicIntegerFieldUpdaterTest { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>03</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>AtomicIntegerFieldUpdater&lt;User&gt; a = AtomicIntegerFieldUpdater</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>04</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>.newUpdater(User.</code><code>class</code><code>,&nbsp;</code><code>"old"</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>06</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>void</code>&nbsp;<code>main(String[] args) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>07</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>User conan =&nbsp;</code><code>new</code>&nbsp;<code>User(</code><code>"conan"</code><code>,&nbsp;</code><code>10</code><code>);</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>08</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(a.getAndIncrement(conan));</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>09</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>System.out.println(a.get(conan));</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>12</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>static</code>&nbsp;<code>class</code>&nbsp;<code>User { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>13</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>private</code>&nbsp;<code>String name;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>14</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>volatile</code>&nbsp;<code>int</code>&nbsp;<code>old;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>16</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>User(String name,&nbsp;</code><code>int</code>&nbsp;<code>old) { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>21</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>String getName() { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>22</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>name;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>25</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>public</code>&nbsp;<code>int</code>&nbsp;<code>getOld() { </code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

<table> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><code>26</code></td> 
   <td><code>&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp;</code><code>return</code>&nbsp;<code>old;</code></td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

输出

10
    11

## 参考资料 ##

[http_ifeve.com_java-atomic]: http://ifeve.com/java-atomic/
[AtomicLong.lazySet]: http://ifeve.com/how-does-atomiclong-lazyset-work/
[Unsafe]: http://www.docjar.com/html/api/sun/misc/Unsafe.java.html