Java中的Atomic包

Atomic包的作用

方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作

Atomic包核心

Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类，核心操作是CAS原子操作；

关于CAS

compare and swap，比较和替换技术，将预期值与当前变量的值比较(compare)，如果相等则使用新值替换(swap)当前变量，否则不作操作；

现代CPU已广泛支持CAS指令，如果不支持，那么JVM将使用自旋锁，与互斥锁一样，两者都需先获取锁才能访问共享资源，但互斥锁会导致线程进入睡眠，而自旋锁会一直循环等待直到获取锁；

另外，有一点需要注意的是CAS操作中的ABA问题，即将预期值与当前变量的值比较的时候，即使相等也不能保证变量没有被修改过，因为变量可能由A变成B再变回A,解决该问题，可以给变量增加一个版本号，每次修改变量时版本号自增，比较的时候，同时比较变量的值和版本号即可；

Atomic包主要提供四种原子更新方式

• 原子方式更新基本类型；
• 原子方式更新数组；
• 原子方式更新引用；
• 原子方式更新字段；

原子方式更新基本类型

以下三个类是以原子方式更新基本类型

• 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AtomicInteger为例，

package concurrency;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerTest {

    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        //相当于i++,返回的是旧值,看方法名就知道，先获取再自增
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
        //先自增，再获取
        System.out.println(ai.incrementAndGet());
        System.out.println(ai.get());
        //增加一个指定值，先add，再get
        System.out.println(ai.addAndGet(5));
        System.out.println(ai.get());
        //增加一个指定值,先get，再set
        System.out.println(ai.getAndSet(5));
        System.out.println(ai.get());
    }

}

注意：Atomic包提供了三种基本类型的原子更新，剩余的Java的基本类型还有char，float和double等，其更新方式可以参考AtomicBoolean的思路来现，AtomicBoolean是把boolean转成整型再调用compareAndSwapInt进行CAS来实现的，类似的short和byte也可以转成整形，float和double可以利用Float.floatToIntBits，Double.doubleToLongBits转成整形和长整形进行相应处理；

原子方式更新数组

以下三个类是以原子方式更新数组，

• 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。

以AtomicIntegerArray为例，其方法与AtomicInteger很像，多了个数组下标索引；

package concurrency;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

public class AtomicIntegerArrayTest {

    static int[] valueArr = new int[] { 1, 2 };

    //AtomicIntegerArray内部会拷贝一份数组
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(valueArr);

    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        //不会修改原始数组value
        System.out.println(ai.get(0));
        System.out.println(valueArr[0]);
    }

}

原子方式更新引用

以下三个类是以原子方式更新引用，与其它不同的是，更新引用可以更新多个变量，而不是一个变量；

• 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。

以AtomicReference为例，

package concurrency;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {

    public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<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;
        }
    }
}

原子方式更新字段

以下三个类是以原子方式更新字段，

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器。
• 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，用于解决使用CAS进行原子更新时，可能出现的ABA问题。

以AtomicIntegerFieldUpdater为例，

package concurrency;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

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;
        //注意需要用volatile修饰
        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;
        }
    }
}

参考资料

http://ifeve.com/java-atomic/

《JAVA并发编程实战》