JUC并发编程 08——原子操作类

目录

一.原子更新基本类型类

实现原理

二.原子更新数组

三.原子更新引用类型

四.原子更新字段类

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Java从JDK1.5开始提供了J.U.C下的atomic包，atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。

atomic包里的类基本都是使用 Unsafe 实现的包装类，使用Unsafe提供的三个CAS方法结合死循环实现的，也就是乐观锁。

一.原子更新基本类型类

我们Java中的基本数据类型是用的非常多的，Atomic包针对基本数据类型提供了3个类，使用原子的方式更新基本类型。

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

以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以这里只以AtomicInteger为例进行讲解。

• int?addAndGet(int?delta)：原子地将给定值与实例中的值（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()：以原子的方式将当前值+1，注意，这里是返回增加之前的原有值
• void?lazySet(int?newValue)：懒设置，即最终会设置成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，这是基于性能方面考虑，因为在多个CPU缓存间同步一个内存的代价是很昂贵的。
• int?getAndSet(int?newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值

实现原理

getAndIncrement() 是如何实现原子操作的呢？让我们一起分析其实现原理。

可以看出，该方法实际上是调用了unsafe实例的getAndAddInt方法，unsafe实例的获取时通过UnSafe类的静态方法getUnsafe获取：

Unsafe 是JDK提供的一个工具类，里面有很多 native 方法，即本地方法，是 JVM 使用 C 帮我们实现的，我们只要记住他提供了一些安全的操作方法，是直接操作内存的。

unsafe.getAndAddInt(this,valueOffset,1) 方法中的三个参数：

• 第1个 this 就是指我们当前操作的 AtomicInteger 对象，
• 第2个参数 valueOffset，这是一个成员变量，代表value成员属性的内存地址相对于对象内存地址的偏移量。这样就能根据对象的内存地址找到属性值的内存地址。
• 第3个参数是1，这个也好理解，因为我们这个方法就是用来自增的嘛，每次增加1，是增量值。

我们接着往里看：

这里使用了 do-while 循环，其实也就是乐观锁，非阻塞的同步方式，一直尝试进行原子操作更新，直到成功。

Atomic包提供了3种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有 char、float和double等。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢？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 );

通过代码，我们发现Unsafe只提供了三种CAS方法：

• boolean compareAndSwapObject(Object o,long offset , Object expected , Object x );
• boolean compareAndSwapInt(Object o , long offset , int expected, int x );
• boolean compareAndSwapLong(Object o , long offset , long expected ,long x );

再看?AtomicBoolean 源码

它是先把Boolean转换成整型，再使用 compareAndSwapInt 进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现。

二.原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，即操作数组元素是线程安全的，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

上述几个类提供的方法几乎一样，我们以AtomicIntegerArray类为例讲解，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

三.原子更新引用类型

上面我们学会了如何原子更新基本类型，但是我们平常使用最多的还是引用类型，这个要如何更新呢？Atomic包提供了以下3个类：

• AtomicReference：原子更新引用类型
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段
• AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子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）

以上几个类提供的方法几乎一样，所以此处我们仅以AtomicReference为例进行讲解，AtomicReference的使用示例代码如下：

其实现原理是依靠了 unsafe.compareAndSwapObject 方法。

四.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：

1. 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。
2. 第二步，更新类的字段（属性）必须使用 public volatile 修饰符

以上3个类提供的方法几乎一样，此处仅以 AtomicIntegerFieldUpdater 为例进行讲解，AtomicIntegerFieldUpdater的 示例代码如下：