Java学习笔记—多线程（原子类，java.util.concurrent.atomic包，转载）

Posted 2020-10-24 大象踢足球

原子类

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、线程安全地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

java.util.concurrent.atomic中的类可以分成4组：

• 标量类（Scalar）：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
• 数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
• 更新器类：AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater
• 复合变量类：AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

 

CAS

CAS（Compare-And-Swap）算法保证数据操作的原子性。

CAS 算法是硬件对于并发操作共享数据的支持。

CAS 包含了三个操作数：
　　内存值 V
　　预估值 A
　　更新值 B

当且仅当 V == A 时，V 将被赋值为 B，否则循环着不断进行判断 V 与 A 是否相等。

CAS的全称为Compare-And-Swap，是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU比较后原子地更新某个位置的值，经过调查发现，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的接口。
atomic包的原子包下使用这种方案。例如AtomicInteger的getAndIncrement自增+1的方法，经查看源码如下：

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

Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compare-AndSwapInt和compareAndSwapLong，具体实现都是使用了native方法。

/**
* 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);

native关键字说明其修饰的方法是一个原生态方法，方法对应的实现不是在当前文件，而是在用其他语言（如C和C++）实现的文件中。Java语言本身不能对操作系统底层进行访问和操作，但是可以通过JNI接口调用其他语言来实现对底层的访问。

JNI是Java本机接口（Java Native Interface），是一个本机编程接口，它是Java软件开发工具箱（java Software Development Kit，SDK）的一部分。JNI允许Java代码使用以其他语言编写的代码和代码库。Invocation API（JNI的一部分）可以用来将Java虚拟机（JVM）嵌入到本机应用程序中，从而允许程序员从本机代码内部调用Java代码。

 

标量类

• AtomicBoolean：原子更新布尔变量
• AtomicInteger：原子更新整型变量
• AtomicLong：原子更新长整型变量
• AtomicReference：原子更新引用类型

具体到每个类的源代码中，提供的方法基本相同，这里以AtomicInteger为例进行说明，AtomicInteger源码主要的方法如下，原理主要都要都是采用了CAS，这里不再累述。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
   
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }
 //返回当前的值
    public final int get() {
        return value;
    }
    //最终会设置成新值
    public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
    }
    
    public final void lazySet(int newValue) {
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
    }
      //原子更新为新值并返回旧值
    public final int getAndSet(int newValue) {
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }
     //如果输入的值等于预期值，则以原子方式更新为新值
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

 //原子自增
    public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

//原子方式将当前值与输入值相加并返回结果
    public final int getAndAdd(int delta) {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + delta;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    } 
}

 

数组类

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组的某个元素
• AtomicLongArray：原子更新长整型数组的某个元素
• AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组的某个元素

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，所以这里以AtomicIntegerArray为例进行讲解

public class AtomicIntegerArray implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 2862133569453604235L;

    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
    private static final int shift;
    private final int[] array;
 

    private long checkedByteOffset(int i) {
        if (i < 0 || i >= array.length)
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);

        return byteOffset(i);
    }

    private static long byteOffset(int i) {
        return ((long) i << shift) + base;
    }

     
    public AtomicIntegerArray(int length) {
        array = new int[length];
    }

   
    public final int get(int i) {
        return getRaw(checkedByteOffset(i));
    }

    private int getRaw(long offset) {
        return unsafe.getIntVolatile(array, offset);
    }

    
    public final void set(int i, int newValue) {
        unsafe.putIntVolatile(array, checkedByteOffset(i), newValue);
    }

   
    public final void lazySet(int i, int newValue) {
        unsafe.putOrderedInt(array, checkedByteOffset(i), newValue);
    }

    
    public final int getAndSet(int i, int newValue) {
        long offset = checkedByteOffset(i);
        while (true) {
            int current = getRaw(offset);
            if (compareAndSetRaw(offset, current, newValue))
                return current;
        }
    }
 
    public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
        return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
    }

    private boolean compareAndSetRaw(long offset, int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);
    }

     

}

这里关键的实现也还是使用了CAS的策略，具体通过unsafe的native方法进行实现

原子更新字段类

如果需原子地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。
  要想原子地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

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
// 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) {
// 设置柯南的年龄是10岁
User conan = new User("conan"， 10);
// 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
// 输出柯南现在的年龄
System.out.println(a.get(conan));
}
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;
}
}
}

代码执行后输出如下。

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转载自：

Java并发编程-原子类及并发工具类