原子操作类原子操作类详细介绍

Posted 潜龙在渊

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了原子操作类原子操作类详细介绍相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

引言

??Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令，但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样，也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。

??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，可分为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
  • 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。

一、基本类型的原子操作类

Atomic 包提供了以下3个基本类型的原子操作类：

  • AtomicBoolean： 原子更新布尔类型；
  • AtomicInteger： 原子更新整形；
  • AtomicLong： 原子更新长整形；

以上3个类提供的方法几乎一模一样,所以本文仅以AtomicInteger为例,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，相当于 (i++) 的形式。
  • void lazySet（int newValue）: JDK6所增加,最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。关于该方法的更多信息可以参考并发编程网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》，文章地址是“http://ifeve.com/howdoes-atomiclong-lazyset-work/”
  • int getAndSet（int newValue）: 以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

@ Example1 ?AtomicInteger 使用例子

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

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());
    }
}

运行结果：

1
2

其余的基本类的原子操作类的解决方案

??java 的基本类型一共有8个，然而JDK却只提供了三个，如何原子的更新其他的基本类型呢?特别是常用的char，float、double。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);

??通过源码，可以发现Unsafe只提供了3种CAS方法,那么 AtomicBoolean 是如何实现的呢，我们再来看一下 AtomicBoolean 的源码。只给出关键部分

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
//存储值：1,0；1代表 true，0 代表 false 
private volatile int value;
//Unsafe 对象
 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();


public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
        //boolean 类型 转换成 整形，true 对应 1，false 对应 0；
        int e = expect ? 1 : 0;
        int u = update ? 1 : 0;
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
    }

public final void set(boolean newValue) {
        value = newValue ? 1 : 0
    }

public final boolean get() {
        return value != 0;
    }

//.......
}

??从AtomicBoolean 的源码可以看出，它是先把 boolean 的值转换成整型来存储,再使用compareAndSwapInt进行CAS。所以其他基本类型的原子类型也可参照这个思路来实现。

??思路有了，接下来考虑怎么实现。byte、char 与 int 的转换很容易，他们的原子操作类就很容易实现了。那float，double 要怎样才能以整形或者长整形来存储值呢？
??Float 类中 提供了static两个方法：通过 Static int floatToIntBits(float value) （根据 IEEE 754 浮点“单一格式”位布局，返回指定浮点值的表示形式）方法，便可以将float 的值以整形的方式存储下来。如果要取值，则通过 static float intBitsToFloat(int bits)方法，将存储下来的整形的浮点值转换回原来的float值。
??同理，Double 类也提供了类似的两个方法：static long doubleToLongBits(double value) 产生long类型的浮点值。static double longBitsToDouble(long bits) 将long的浮点值转换回double值。

下面是 AtomicDouble 的实现例子：

@ Example2 ?AtomicDouble 的实现例子

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;

public class AtomicDouble extends Number {

    private AtomicLong bits;
    
    public AtomicDouble() {
        this(0d);
    }
    
    public AtomicDouble(Double value){
        bits = new AtomicLong(Double.doubleToLongBits(value));
    }

    public final double get() {
        return Double.longBitsToDouble(bits.get());
    }

    public final void set(double value) {
        bits.set(Double.doubleToLongBits(value));
    }

    public final double addAndGet(double delta) {
        long newBits = bits.addAndGet(Double.doubleToLongBits(delta));
        return Double.longBitsToDouble(newBits);
    }
    
    public final double getAndAdd(double delta) {
        long oldBits = bits.getAndAdd(Double.doubleToLongBits(delta));
        return Double.longBitsToDouble(oldBits);
    }

    public final double getAndSet(double newValue) {
        long oldBits = bits.getAndSet(Double.doubleToLongBits(newValue));
        return Double.longBitsToDouble(oldBits);
    }

    public final boolean compareAndSet(double expect, double update) {
        return bits.compareAndSet(Double.doubleToLongBits(expect), Double.doubleToLongBits(update));
    }

    public final boolean weakCompareAndSet(double expect, double update) {
        return bits.weakCompareAndSet(Double.doubleToLongBits(expect), Double.doubleToLongBits(update));
    }
    
    public final void lazySet(double newValue) {
         bits.lazySet(Double.doubleToLongBits(newValue));
    }

    @Override
    public int intValue() { return (int) this.get(); }
    @Override
    public long longValue() { return (long) this.get(); }
    @Override
    public float floatValue() { return (float) this.get();}
    @Override
    public double doubleValue() { return this.get(); }
}

关于原子操作类实现其余猜想：

??除了上面的那种实现方案外，在 stackOverflow 上也发现两个原子操作类的实现方案：

  1. 利用 AtomicReference 类；如 Float 的原子操作类可以是 AtomicReference<Float>。不可，经过测试，这种方法是不行的，因为像compareAndSet这类方法比较的是对象的内存地址，而不会使用equal()方法进行比较。
  2. 使用JDK1.8新增的方法：DoubleAdder、DoubleAccumulator。没去深入了解，粗略看了下，这两个类都是适合于“多写少读”的情况。

二、数组的原子操作类

通过原子的方式更新数组里的某个元素,Atomic包提供了以下3个类:

  • AtomicIntegerArray:　原子更新整型数组里的元素
  • AtomicLongArray: 原子更新长整型数组里的元素
  • AtomicReferenceArray: 原子更新引用类型数组里的元素

这几个类的方法几乎一样，以AtomicIntegerArray为例，AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型；

构造方法：
AtomicIntegerArray(int length)： 创建给定长度的新 AtomicIntegerArray。
AtomicIntegerArray(int[] array)： 创建与给定数组具有相同长度的新 AtomicIntegerArray，并从给定数组复制其所有元素。

其常用方法：
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。

@ Example3 ?AtomicIntegerArray 的使用例子

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]);
    }
}

运行结果：

3
1

AtomicIntegerArray类需要注意的是 ，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，不会影响到传入的数组。

三、引用类型的原子操作类

?基本类型的原子操作类只能更新基本类型的值，不能更新引用类型的对象引用。Atomic包提供了以下三个类，可以原子方式更新的对象引用。

  • AtomicReference： 原子更新引用类型。
  • 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。
  • AtomicMarkableReference： 原子更新带有标记位的引用类型。可以原子的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)

1. AtomicReference 介绍

构造方法

AtomicReference()： 使用 null 初始值创建新的 AtomicReference。
AtomicReference(V initialValue)： 使用给定的初始值创建新的 AtomicReference。

常用的方法： 与前面介绍的类差不多，get()、set(V newValue)、compareAndSet(V expect, V update)、getAndSet(V newValue);

@ Example4 ?AtomicReference 的使用例子

public class AtomicReferenceTest {

    public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference</user><user>();

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("conan", 15);
        atomicUserRef.set(user);
        User updateUser = new User("Shinichi", 17);
        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;
        }
    }
}

运行结果：

Shinichi
17

2. AtomicMarkableReference 与 AtomicStampedReference 介绍

??这两个类的作用与 AtomicReference 的作用非常相似，都是原子更新引用类型。但他们还有一个作用：能解决CAS过程中的ABA问题。

什么是ABA问题？

??ABA的问题就是：在多线程的环境下，线程1将A的值赋给了B，然后B的值又重新赋值了A。在这个过程中，A已经被修改了一次了，但是线程2不知道，在进行CAS时，认为A的值没有被修改过，所以就进行修改。当然，如果只对结果敏感，而对修改的次数不敏感，那么这个问题就无所谓了。

AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 是怎么解决ABA问题的？

??这两个类的解决方案也很简答，就是多维护了一个标志位记录修改的状态 或者 维护一个版本号记录修改的次数，然后进行CAS时，也会比较标志位或者版本号。简单看一下源码吧。

AtomicMarkableReference 用的是标志位mark（布尔类型）来标志修改的状态，下面是关键部分源码：

//构造方法，initialRef 是 初始的引用类型，initialMark 是初始的标志位
public AtomicMarkableReference(V initialRef,  boolean initialMark);

//CAS 不仅要比较引用类型，还要比较标志位
public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, boolean expectedMark, boolean newMark) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedMark == current.mark &&
            ((newReference == current.reference &&
              newMark == current.mark) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newMark)));
 }

AtomicStampedReference 用的则是版本号stamp(整形int) 来记录修改的次数，下面是关键部分的源代码：

//构造方法，初始引用类型 和 初始版本号
 public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp);

//CAS 不仅要比较引用类型，还要比较版本号
  public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp) {
        Pair<V> current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&
            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
    }

@ Example5 ?AtomicStampedReference 的解决ABA问题的例子

看一个AtomicStampedReference的例子。当需要执行一次更新当前用户的操作，这里故意将更新的用户就是当前用户，也就是更新后对象引用是没有变化的。线程A、线程B 都接到这个任务，但只能执行一次，意味着得有一个线程更新失败。User类的代码请查看上一个例子。

public class AtomicStampedReferenceTest {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        User user = new User("小赫",25);
        //初始版本为1
        int stamp = 1;
        
        //设置当前用户是  小赫
        AtomicStampedReference<User> currentAtomicUser = new AtomicStampedReference<User>(user, stamp);
        
        //更新当前用户,更新的目标用户就是当前用户
        UpdateUserTask task = new UpdateUserTask(stamp, currentAtomicUser, user, user);
        //线程A，线程B执行相同的更新任务，但更新操作只需要执行一次。
        Thread threadA = new Thread(task,"ThreadA");
        Thread threadB = new Thread(task,"ThreadB");
        threadA.start();
        threadB.start();
    }
}

class UpdateUserTask implements Runnable{

    private int stamp;
    private AtomicStampedReference<User> currentAtomicUser;
    private User newUser;
    private User oldUser;
    
    public UpdateUserTask(int stamp, AtomicStampedReference<User> currentAtomicUser,User newUser,User oldUser) {
        this.stamp = stamp;
        this.currentAtomicUser = currentAtomicUser;
        this.newUser = newUser;
        this.oldUser = oldUser;
    }

    @Override
    public void run() {
        //更新当前用户,版本号加一
        boolean b = currentAtomicUser.compareAndSet(oldUser, newUser, stamp, stamp+1);
        if(b){//更新执行成功
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+": 成功执行更新操作");
        }else{//更新失败
            System.out.println("线程"+Thread.currentThread().getName()+": 当前用户是 "+ currentAtomicUser.getReference().getName()+" ，版本号已经过期，更新操作已经被其他线程完成");
        }
    }
     
 }

运行结果：

线程ThreadB: 当前用户是 小赫 ，版本号已经过期，更新操作已经被其他线程完成
线程ThreadA: 成功执行更新操作

??从结果可以看出，当线程B执行任务时，尽管当前用户的对象引用没有改变，但版本号却已经改变了，线程B从而知道了更新操作已经被执行了，于是便不再执行更新。

四、 更新字段的原子操作类

如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：

  • AtomicIntegerFieldUpdater： 原子更新整型的字段的更新器。通过静态工厂方法创建newUpdater(Class<U> tclass, String fieldName)；
  • AtomicLongFieldUpdater： 原子更新长整型字段的更新器。通过静态工厂方法创建newUpdater(Class<U> tclass, String fieldName)；
  • AtomicReferenceFieldUpdater 原子更新引用类型里的字段。比前两个方法的范围要广，可以更新任意类型的字段，通过静态的工厂方法创建 newUpdater(Class<U> tclass, Class<W> vclass, String fieldName)；

原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。以上3个类提供的方法差不多，下面给出AtomicIntegerFieldUpdater 的例子：

@ Example6 ?AtomicIntegerFieldUpdater 例子

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(User.class, "old");

    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        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;
        }
    }
}

运行结果：

10
11

以上是关于原子操作类原子操作类详细介绍的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

java 多线程系列---JUC原子类之AtomicLong原子类

016 原子类

Atomic原子类介绍

JUC 中的 Atomic 原子类总结

Juc15_基本AtomicInteger数组引用AtomicStampedReference对象的属性修改原子类AtomicIntegerFieldUp 原子操作增强类LongAdder

Juc15_基本AtomicInteger数组引用AtomicStampedReference对象的属性修改原子类AtomicIntegerFieldUp 原子操作增强类LongAdder