學(xué)習(xí)Java并發(fā)編程中的Atomic原子庫(kù)

在之前的博文中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了volatile關(guān)鍵字，了解到它可以保證有序性和可見(jiàn)性，但無(wú)法保障原子性。解決原子性問(wèn)題時(shí)，推薦使用synchronized、Lock或者AtomicInteger。我們還學(xué)習(xí)過(guò)CAS算法，提及了atomic。今天，我們將深入學(xué)習(xí)Atomic原子庫(kù)，這是一個(gè)基于CAS算法實(shí)現(xiàn)的高效并發(fā)工具庫(kù)。

并發(fā)包java.util.concurrent的原子類都存放在java.util.concurrent.atomic中。如下圖所示：

一、Atomic釋義

Atomic翻譯為“原子”，何為原子？在化學(xué)領(lǐng)域的原子被認(rèn)為是構(gòu)成化學(xué)反應(yīng)的最小微觀粒子，是不可分割的最小單位。偉大的Doug Lea大師，將并發(fā)的一些類以此單詞開(kāi)頭命名，一語(yǔ)中的！

• 原子性在程序中所表達(dá)的意思是：一個(gè)或者多個(gè)操作在CPU執(zhí)行的過(guò)程中不被中斷的特性。
• 原子操作在程序中表達(dá)的意思是：即最小不可拆分的操作，也就是說(shuō)操作一旦開(kāi)始，就不能被打斷，直到操作完成。

二、四大原子分類

我們根據(jù)操作的數(shù)據(jù)類型可以將JUC包中的原子類做如下的4種劃分：

2.1 基本類型

原子操作的基本類型主要可分為：

1. AtomicBoolean：布爾型原子類；
2. AtomicInteger：整型原子類；
3. AtomicLong：長(zhǎng)整型原子類；

這三種方式用法幾乎相同，都是以原子更新的方式操作基本類型，我們?cè)谶@里以AtomicInteger為例看一下它的使用與原理。

1）AtomicInteger的常用方法

public final int get() //獲取當(dāng)前的值
public final int getAndSet(int newValue)//獲取當(dāng)前的值，并設(shè)置為newValue
public final int getAndIncrement()//獲取當(dāng)前的值，并自增
public final int incrementAndGet()//增加 1，并獲取新值,注意與上面方法區(qū)分
public final int getAndDecrement() //獲取當(dāng)前的值，并自減
public final int getAndAdd(int delta) //獲取當(dāng)前的值，并加上預(yù)期的值delta
boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果輸入的數(shù)值等于預(yù)期值，則以原子方式將該值設(shè)置為輸入值（update）
public final void lazySet(int newValue)//最終設(shè)置為newValue,使用 lazySet 設(shè)置之后可能導(dǎo)致其他線程在之后的一小段時(shí)間內(nèi)還是可以讀到舊的值.

2）AtomicInteger的使用案例

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        //臨時(shí)值
        int temvalue = 0;
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
        temvalue = i.getAndSet(3);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i); //temvalue:0;  i:3
        temvalue = i.getAndIncrement();
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i); //temvalue:3;  i:4
        temvalue = i.getAndAdd(5);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i); //temvalue:4;  i:9
        temvalue = i.incrementAndGet();
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i); //temvalue:10;  i:10
    }
}

這里需要注意的一點(diǎn)是getAndIncrement()方法與incrementAndGet()，一個(gè)先獲值后自增，一個(gè)先自增后獲值。

3）AtomicInteger的底層原理

我們以getAndIncrement()為例，去跟入它的底層代碼會(huì)發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)部是通過(guò)調(diào)用UnSafe類的靜態(tài)方法getUnsafe實(shí)現(xiàn)的。UnSafe類在CAS算法的時(shí)候有提及，后面我們?cè)賳为?dú)學(xué)習(xí)它，其底層是通過(guò)CAS，原子性的進(jìn)行增加值。

public final int getAndIncrement() {
    // 使用Unsafe類中的getAndAddInt方法原子地增加AtomicInteger的當(dāng)前值
    // 第一個(gè)參數(shù)this是AtomicInteger的當(dāng)前實(shí)例
    // 第二個(gè)參數(shù)valueOffset是一個(gè)偏移量，它指示在AtomicInteger對(duì)象中的哪個(gè)位置可以找到實(shí)際的int值
    // 第三個(gè)參數(shù)1表示要加到當(dāng)前值上的值（即增加的值）
    // 此方法返回的是增加前的原始值
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

Unsafe 類是Java中的一個(gè)特殊類，用于執(zhí)行低級(jí)、不安全的操作。getAndIncrement方法就是利用了Unsafe類提供的CAS（Compare-And-Swap）操作來(lái)實(shí)現(xiàn)原子的increment操作。CAS是一種常用的無(wú)鎖技術(shù)，允許在多線程環(huán)境中原子地更新值。

2.2 數(shù)組類型

原子操作根據(jù)數(shù)組類型，可以分為如下幾種：

1. AtomicIntegerArray：整形數(shù)組原子類
2. AtomicLongArray：長(zhǎng)整形數(shù)組原子類
3. AtomicReferenceArray：引用類型數(shù)組原子類

這三種同樣很類似，我們以AtomicIntegerArray為例來(lái)介紹一下。

1）AtomicIntegerArray的常用方法

public final int get(int i) //獲取 index=i 位置元素的值
public final int getAndSet(int i, int newValue)//返回 index=i 位置的當(dāng)前的值，并將其設(shè)置為新值：newValue
public final int getAndIncrement(int i)//獲取 index=i 位置元素的值，并讓該位置的元素自增
public final int getAndDecrement(int i) //獲取 index=i 位置元素的值，并讓該位置的元素自減
public final int getAndAdd(int i, int delta) //獲取 index=i 位置元素的值，并加上預(yù)期的值
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) //如果輸入的數(shù)值等于預(yù)期值，則以原子方式將 index=i 位置的元素值設(shè)置為輸入值（update）
public final void lazySet(int i, int newValue)//最終 將index=i 位置的元素設(shè)置為newValue,使用 lazySet 設(shè)置之后可能導(dǎo)致其他線程在之后的一小段時(shí)間內(nèi)還是可以讀到舊的值.

2）AtomicIntegerArray的使用案例

public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        int temvalue = 0;
        int[] nums = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
        AtomicIntegerArray i = new AtomicIntegerArray(nums);
        for (int j = 0; j < nums.length; j++) {
            System.out.print(i.get(j));
        }
        System.out.println();
        temvalue = i.getAndSet(0, 2);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);
        temvalue = i.getAndIncrement(0);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);
        temvalue = i.getAndAdd(0, 5);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);
    }
}

輸出：

123456
temvalue:1;  i:[2, 2, 3, 4, 5, 6]
temvalue:2;  i:[3, 2, 3, 4, 5, 6]
temvalue:3;  i:[8, 2, 3, 4, 5, 6]

2.3 引用類型

除了如上的2種原子類外，atomic包中還提供了引用類型原子類。大概為如下幾種：

1. AtomicReference：原子更新引用類型，使用AtomicReference類保證對(duì)象之間的原子性，把多個(gè)變量放到一個(gè)對(duì)象里面進(jìn)行CAS操作；
2. AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號(hào)的引用類型。該類將整數(shù)值與引用關(guān)聯(lián)起來(lái)，可用于解決原子的更新數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)的版本號(hào)，可以解決使用CAS進(jìn)行原子更新時(shí)可能出現(xiàn)的ABA問(wèn)題；
3. AtomicMarkableReference：原子更新帶有標(biāo)記的引用類型，該類將boolean標(biāo)記與引用關(guān)聯(lián)起來(lái)。

常用方法又上述兩種類型一致，這里不再贅述，我們直接寫(xiě)一個(gè)demo感受一下它的使用吧。

public class TestAtomicReference {

    private static AtomicReference reference = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("小明", 18);
        reference.set(user1);
        User user2 = new User("小華",20);
        User user = reference.getAndSet(user2);
        System.out.println(user);
        System.out.println(reference.get());
    }

    static class User {
        private String userName;
        private int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}

輸出：

User{userName='小明', age=18}
User{userName='小華', age=20}

2.4 對(duì)象的屬性修改類型

除了原子更新對(duì)象（引用類型）外，atomic中還提供了更新對(duì)象的屬性字段的原子類：

1. AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整形字段的更新器；
2. AtomicLongFieldUpdater：原子更新長(zhǎng)整形字段的更新器；
3. AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型里的字段的更新器。

如果想要原子的更新對(duì)象的屬性，實(shí)現(xiàn)起來(lái)較上面幾種類型略微復(fù)雜一下，大概分為兩步：

步驟1??
通過(guò)靜態(tài)方法newUpdater創(chuàng)建一個(gè)更新器，并且設(shè)置想要更新的類和字段；

步驟2??
字段必須使用public volatile進(jìn)行修飾；

以AtomicIntegerFieldUpdater為例，我們寫(xiě)一個(gè)測(cè)試類感受一下。

public class TestAtomicIntegerFieldUpdater {
    //創(chuàng)建一個(gè)age的更新器
    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("小明", 17);
        int oldValue = updater.getAndAdd(user, 1);
        System.out.println(oldValue);//17
        System.out.println(updater.get(user));//18
    }

    static class User {
        private String userName;
        public volatile int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }

通過(guò)AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age")創(chuàng)建一個(gè)age的更新器，然后調(diào)用getAndAdd(user, 1)進(jìn)行年齡加1操作，從17歲變?yōu)?8歲。

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