深入理解java：2.3.1. 并发编程concurrent包 之Atomic原子操作

Posted 2020-09-13 张俊鸿

java中，可能有一些场景，操作非常简单，但是容易存在并发问题，比如i++，

此时，如果依赖锁机制，可能带来性能损耗等问题，

于是，如何更加简单的实现原子性操作，就成为java中需要面对的一个问题。

 

在backport-util-concurrent没有被引入java1.5并成为JUC之前，

这些原子类和原子操作方法，都是使用synchronized实现的。

不过JUC出现之后，这些原子操作 基于JNI提供了新的实现，

比如AtomicInteger,AtomicLong,AtomicBoolean,AtomicReference,AtomicIntegerArray/AtomicLongArray/AtomicReferenceArray；

这些操作中提供一些原子化操作，比如incrementAndGet（相当于i++），compareAndSet（安全赋值）等，直接读源代码也很容易懂。

 

以AtomicInteger为例，看看它是怎么做到的：

如果是读取值，很简单，将value声明为volatile的，就可以保证在没有锁的情况下，数据是线程可见的：

1     private volatile int value;

      public final int get() {
2       return value;
3     }

 

那么，涉及到值变更的操作呢？以AtomicInteger实现：++i为例：

1     public final int incrementAndGet() {
2      for (;;) {
3        int current = get();
4        int next = current + 1;  
5        if (compareAndSet(current, next))  
6          return next;  
7        }
8     } 

 

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

而这里的comparAndSet(current,next)，就是前面介绍CAS的时候所说的依赖JNI实现的乐观锁做法：

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
       return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

 

数组原子化

注意，Java中Atomic*Array，并不是对整个数组对象实现原子化（也没有必要这样做），而是对数组中的某个元素实现原子化。

例如，对于一个整型原子数组，其中的原子方法，都是对每个元素的：

1 public final int getAndDecrement(int i) {
2       while (true) {
3        int current = get(i);
4        int next = current - 1;
5        if (compareAndSet(i, current, next))
6             return current;
7       }
8 } 

 

引用的原子化操作

引用的操作本身不就是原子的吗？

一个对象的引用，从A切换到B，本身也不会出现 非原子操作啊？这种想法本身没有什么问题，

但是考虑下嘛的场景：对象a，当前执行引用a1，

线程X期望将a的引用设置为a2，也就是a=a2，

线程Y期望将a的引用设置为a3，也就是a=a3。

 

X要求，a必须从a1变为a2，也就是说compareAndSet(expect=a1,setValue=a2)；

Y要求，a必须从a1变为a3，也就是说compareAndSet（expect=a1，setValue=a3）。

如果严格遵循要求，应该出现X把a的引用设置为a2后，Y线程操作失败的情况，也就是说：

X：a==a1--> a=a2;

Y：a!=a1 --> Exception；

如果没有原子化，那么Y会直接将a赋值为a3，从而导致出现脏数据。

 

这就是原子引用AtomicReference存在的原因。

1      public final V getAndSet(V newValue) {
2            while (true) {
3                V x = get();
4                if (compareAndSet(x, newValue))
5                    return x;
6            }
7        }

注意，AtomicReference要求引用也是volatile的。

 

Updater原子化

其它几个Atomic类，都是对被volatile修饰的基本数据类型的自身数据进行原子化操作，

但是如果一个被volatile修饰的变量本身已经存在在类中，那要如何提供原子化操作呢？

 

比如，一个Person，其中有个属性为age，private volatile int age，

如何对age提供原子化操作呢？

1 private AtomicIntegerFieldUpdater<Person> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Person.class, "age");  
2 updater.getAndIncrement(5);//加5岁
3 updater.compareAndSet(person, 30, 35)//如果一个人的年龄是30，设置为35。

 

Java中的Atomic包使用指南

参考： http://ifeve.com/java-atomic/