java并发编程之原子类

Posted 2022-11-25 miaomiaoLoveCode

当多个线程同时更新公共变量，会导致线程不安全，通常大家可以会想到使用synchronized关键字或者Lock来解决这个问题，synchronized和Lock可以保证多个线程不会同时更新该公共变量。为了使用更简单，性能更高效，jdk1.5提出原子操作类。

原子操作类主要集中在Atomic（java.util.concurrent.atomic）包下，按照原子更新方式，这些原子操作类大致可以分为四种：原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用以及原子更新属性，接下来就这四种类型原子操作类的具体实现做相关分析。

原子更新基本类型

Atomic包主要提供三个类来更新基本类型变量：

1. AtomicBoolean：用来更新布尔型变量；

2. AtomicInteger：用来更新整型变量；

3. AtomicLong：用来更新长整型变量。

接下来就以AtomicLong为切入点，分析一下具体的源码实现。

AtomicLong源码分析

AtomicLong有以下比较常用的方法：
- compareAndSet方法

调用Unsafe的compareAndSwapLong方法实现比较设置，如果当前value与预期值expect相等，则将value设置为update的值。

• getAndSet方法
  
  以原子方式设置value为newValue的值，并且返回更新前的value值。需要注意的是，使用compareAndSet方法进行原子操作时，如果当前value与current值不相等则意味着value被其他线程修改过，这时候compareAndSet方法会返回false，程序会再次进入循环重复进行compareAndSet操作直到操作成功。

• add系列方法
  AtomicLong提供addAndGet方法和getAndAdd方法来做加法运算。
  
  从源码可以看出addAndGet方法的返回值是value加上delta之后的值，而getAndAdd方法的返回值是做加法之前的value值，这也是这两个方法唯一的区别，大家在使用的时候需要注意。

• increment系列方法
  同add一样，AtomicLong同样提供两个方法：incrementAndGet和getAndIncrement方法来做自增操作。
  
  同add的两个方法一样，incrementAndGet和getAndIncrement唯一的区别就在于前者返回值是自增以后的value值，而后者返回的是自增之前的value值。

• decrement系列方法
  同样的，AtomicLong也提供两个方法：decrementAndGet和getAndDecrement方法来做自减操作。
  
  同前add、increment一样，decrement的两个方法区别也是返回值不一样。

• lazySet方法
  
  lazySet方法调用Unsafe的putOrderedLong方法将value设置成newValue，但是使用lazySet设置值可能会导致其他线程在之后的一小段时间内读到的值还是设置之前的旧值，至于为什么会出现延迟，会在后续文章分析Hotspot的unsafe具体实现中给出。

到这里为止，原子更新基本类型的相关源码分析就告一段落了，总体来说，Atomic包下提供的三个更新基本类型变量的原子类源码大致一致，有兴趣的读者可以自行阅读。最后，再强调一点，AtomicBoolean的value的类型并不是布尔型，而是整型，它会把对应的布尔值转换成整型，true的时候对应1，false的时候对应0。至于为什么是整型，是因为Unsafe提供的compareAndSwap方法不能修改布尔型变量：

案例1

• 需求：实现自增计数器，要求线程安全。

• 代码实现：
  
  运行结果：
  
  1000个线程操作自增之后计数器结果为1000，线程安全。

原子更新数组

Atomic包提供三个类来以原子的方式更新数组里的元素：

1. AtomicIntegerArray：用来更新整型数组里的元素；

2. AtomicLongArray：用来更新长整型数组里的元素；

3. AtomicReferenceArray：用来更新引用类型数组里的元素。

接下来还是以AtomicLongArray为例，分析具体的源码实现。

AtomicLongArray源码分析

AtomicLongArray同AtomicLong对外提供的方法大致一致，只不过前者是操作数组，后者是操作基本类型。

• 成员变量
  
  AtomicLongArray自己维护一个长整型数组array，对数组元素的操作实质是对array的操作。

• 构造方法
  
  AtomicLongArray提供两个构造方法，从入参为长整型数组的构造方法可以看出，AtomicLongArray会将传入数组clone一份，所以AtomicLongArray对内部的数组元素进行修改时不会影响传入的数组，一定要注意这点！！！

• CAS实现
  其实Atomic包下系列方法实现基本都差不太多，在这里就只着重分析一下基础的CAS的具体实现：
  
  从源码可以看出，AtomicLongArray的CAS依赖于Unsafe的compareAndSwapLong方法，同样需要注意的是，getAndSet方法同样也是死循环，直到value更新成功，到这里基本上可以得出一个结论：Atomic包下的CAS基本上都是配合死循环来实现的。

原子更新引用类型

原子更新基本类型每次只能更新一个变量，假如需要更新多个变量怎么办呢？针对这个问题，Atomic包提供引用类型类来一次更新多个变量：

1. AtomicReference：用于更新引用类型，可以理解为更新Object；

2. AtomicMarkableReference：用于更新带有标记位的引用类型；

3. AtomicStampedReference：用于更新带有版本号的引用类型，该类将版本号与引用类型关联起来，可以解决使用CAS进行原子更新时可能会出现的ABA问题。

接下来以AtomicReference为例，分析一下具体的源码实现。

AtomicReference源码分析

AtomicReference实质是被用来更新Object。

• 成员变量及构造方法
  
  从源码可以看出，AtomicReference自己维护一个泛型对象value，同时提供两个构造方法，带参数的构造方法可以初始化value为传入的对象。

• CAS实现
  同样看一下CAS的基本实现，看看AtomicReference怎么来做到原子更新Object的：
  
  从源码可以看出，AtomicReference的CAS实现主要依赖于Unsafe的compareAndSwapObject方法。

源码分析到这里基础的东西基本就结束了，可能大家还是一脸懵逼，实现这么简单，那到底怎么使用呢，接下来就给大家一个简单的demo，看看它具体是怎么用的。

案例2

• 需求：使用AtomicReference原子更新用户信息；

• 代码实现：
  
  运行结果：
  

原子更新属性

AtomicReference系列可以更新Object，同样的，针对Object的属性，Atomic提供一下方法来更新Object的属性：

1. AtomicIntegerFieldUpdater：用于更新Object的整型属性；

2. AtomicLongFieldUpdater：用于更新Object的长整型属性；

3. AtomicReferenceFieldUpdater：用于更新Object的引用类型属性。

以AtomicIntegerFieldUpdater为例，分析一下源码的具体实现。

AtomicIntegerFieldUpdater源码分析

在使用AtomicIntegerFieldUpdater来更改Object整型属性大致分为两步：

1. 使用静态方法newUpdater创建一个更新器，设置需要更新的类和属性；

2. 调用相关CAS系列方法更新属性，需要注意的是，更新的属性必须使用public volatile修饰。

接下来就先从如何创建一个更新器开始，分析具体的源码实现。

• 创建更新器
  
  AtomicIntegerFieldUpdater是抽象类，它提供静态方法newUpdater来创建更新器。从源码可以看出，newUpdater方法实际上是创建了一个AtomicIntegerFieldUpdater的子类的对象，接下来就去看一下这个子类AtomicIntegerFieldUpdaterImpl的构造方法主要做了什么。

  AtomicIntegerFieldUpdaterImpl构造方法
  
  整个构造方法主要干了这些事：

  1. 利用反射获取到Object指定（fieldName）属性；

  2. 调用ensureMemberAccess方法校验该属性是否允许外部访问，这一步校验限制了该属性必须是public的；

  3. 校验当前属性是否是int型，并且被volatile关键字修饰；

  4. 初始化私有属性cclass，tclass和offset。

创建完更新器之后，我们来看看如何更改指定属性的值。

• CAS更改属性值
  AtomicIntegerFieldUpdater同AtomicInteger等原子更新基本类型一样，提供一些列方法来更新属性值，这里只给出基本的compartAndSet方法和调用compartAndSet方法实现属性值的更新的getAndSet方法实现。

  • compartAndSet方法实现
    
    从源码实现可以看出，compareAndSet方法依赖Unsafe的compareAndSwapInt方法实现原子更新int型属性。

  • getAndSet方法实现
    
    同AtomicInteger的getAndSet方法实现一样的逻辑，循环调用compareAndSet方法直到属性值更新成功。

  AtomicIntegerFieldUpdater的add、increment和decrement系列方法实现均调用compareAndSet方法实现，实现的逻辑与原子更新基本类型的几个类实现一致，在这里就不再做详细讲解，有兴趣的读者下来可以自行阅读源码。接下来，还是一样给大家一个简单的AtomicIntegerFieldUpdater使用demo，看看具体怎么来用它。

案例3

• 需求：原子更新用户信息的年龄信息；

• 代码实现：
  

  运行结果：