并发：Java中的13个原子操作类。

末蓝、 2024-02-19 14:32 37阅读 0赞

当程序更新一个变量时，如果多线程同时更新这个变量，可能得到期望之外的值，比如变量i=1，A线程更新i+1，B线程也更新i+1，经过两个线程操作之后可能i不等于3，而是等于2。因为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1，这就是线程不安全的更新操作，通常我们会使用synchronized来解决这个问题，synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。

而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下简称Atomic包），这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全的更新一个变量的方式。

因为变量的类型有很多种，所以在Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，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属性（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 ##

使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3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。

以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以以AtomicInteger为例进行讲解，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，可能会导致其他线程在之后的一段时间内还是可以读到旧的值。
 *  int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

AtomicInteger示例代码如下所示。

public class AtomicIntegerTest {
    	static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
    	public static void main(String[] args) {
    		System.out.println(ai.getAndIncrement());
    		System.out.println(ai.get());
    	}
    }

那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢？让我们一起分析其实现原理，getAndIncrement的源码如下所示。

public final int getAndIncrement() {
            for (;;) {
                int current = get();
                int next = current + 1;
                if (compareAndSet(current, next))
                    return current;
            }
        }
        public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
        }

源码中for循环体的第一步先取得AtomicInteger里存储的数值，第二步对AtomicInteger的当前数值进行加1操作，关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作，该方法先检查当前数值是否等于current，等于意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过，则将AtomicInteger的当前数值更新成next的值，如果不等compareAndSet方法会返回false，程序会进入for循环重新进行compareAndSet操作。

Atomic包提供了3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，让我们一起看一下Unsafe的源码，如下所示。

/**
     *    如果当前数值是expected，则原子的将Java变量更新成x
     *    @return 如果更新成功则返回true
     */
     public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
     public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
     public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareANdSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现他是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现。

## 原子更新数组 ##

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下4个类。

*  AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素。
 *  AtomicLongArray：原子更新整型数组里的元素。
 *  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。

以上几个类提供的方法几乎一样，所以这里仅以AtomicIntegerArray为例进行讲解，AtomicIntegerArray的使用示例代码如下所示。

public class AtomicIntegerArrayTest {
    	static int[] value = new int[]{1,2};
    	static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
    	public static void main(String[] args) {
    		ai.getAndSet(0, 3);
    		System.out.println(ai.get(0));
    		System.out.println(value[0]);
    	}
    }

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3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)。

以上几个类提供的方法几乎一样，所以这里以AtomicReference为例进行讲解，AtomicReference的使用示例代码如下所示。

public class AtomicReferenceTest {
    	public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();
    	
    	public static void main(String[] args) {
    		User user = new User("hello", 18);
    		atomicUserRef.set(user);
    		User updateUser = new User("world", 20);
    		atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
    		System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
    		System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
    	}
    
    	static class User {
    		private String name;
    		private int old;
    		public User(String name, int old) {
    			this.name = name;
    			this.old = old;
    		}
    		public String getName() {
    			return name;
    		}
    		public int getOld() {
    			return old;
    		}
    	}
    }

代码中首先构建一个user对象，然后把user对象设置进AtomicReference中，最后调用compareAndSet方法进行原子更新操作，实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法。

## 原子更新字段类 ##

如果需原子的更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新。

*  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，可用于原子的更新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。

要想原子的更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

以上3个类提供的方法几乎一样，所以这里仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下所示。

public class AstomicIntegerFieldUpdaterTest {
    	// 创建原子更新器，并设置需要更新的对象类和对象的属性
    	private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");
    	public static void main(String[] args) {
    		// 设置年龄是10岁
    		User user = new User("test", 10);
    		// 长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
    		System.out.println(a.getAndIncrement(user));
    		// 输出现在的年龄
    		System.out.println(a.get(user));
    	}
    	
    	public static class User {
    			private String name;
    			public volatile int old;
    			public User(String name, int old) {
    				this.name = name;
    				this.old = old;
    			}
    			public String getName() {
    				return name;
    			}
    			public int getOld() {
    				return old;
    			}
    	}
    }