Java多线程_Atomic

1.什么是Atomic？
Atomic，中文意思是“原子的”，在java多线程中，有这样的一个包：

java.util.concurrent.atomic——线程安全的原子操作包

这是JDK1.5的版本中为我们提供的原子操作包。所谓“原子”操作，是指一组不可分割的操作，操作者对目标对象进行操作时，要么完成所有操作后其他操作者才能操作；要么这个操作者不能进行任何操作。

2.Atomic有什么作用？
原子操作包为我们提供了四类原子操作：

• 原子更新基本类型
• 原子更新数组
• 原子更新引用
• 原子更新字段。

通过这四类，可以有效地解决实际开发中遇到脏数据的问题。

3.原子更新基本类型
原子更新基本类型中有三种操作：

• AtomicBoolean：布尔数据的原子操作
• AtomicInteger：整型数字的原子操作
• AtomicLong：长整型数字的原子操作

下面通过一段代码实现一个AtomicInteger的累加器：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Add add = new Add();
        Thread t1 = new Thread(add);
        Thread t2 = new Thread(add);
        t1.start();
        t2.start();
    }
}

class Add implements Runnable {
    AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " " + count.incrementAndGet());
        }
    }
}

从上面的代码我们可以看出，这里并没有使用synchronized就实现了线程安全，这是为什么呢？
我们不妨看一下源码

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
} 

那源码中为什么是一个死循环呢？
这里要引出两个概念——悲观锁和乐观锁
悲观锁是一种独占锁，它假设的前提是“冲突一定会发生”，所以处理某段可能出现数据冲突的代码时，这个代码段就要被某个线程独占。而独占意味着“其它即将执行这段代码的其他线程”都将进入“阻塞”/“挂起”状态。synchronized关键字就是java对于悲观锁的实现。
乐观锁假定“冲突不一定会出现”，如果出现冲突则进行重试，直到冲突消失。 由于乐观锁的假定条件，所以乐观锁不会独占资源，性能自然在多数情况下就会好于悲观锁，但也会有少数情况坏于悲观锁，就是一旦多线程对某个资源的抢占频度达到了某种规模，就会导致乐观锁内部出现多次更新失败的情况，最终造成乐观锁内部进入一种“活锁”状态。AtomicInteger是一个标准的乐观锁实现。

所以说在incrementAndGet()中，会有一个“死循环”，这是incrementAndGet()方法会有“比较-重试”的过程。

4.原子更新数组

• AtomicIntegerArray：原子操作整型数组
• AtomicLongArray：原子操作长整型数组
• AtomicReferenceArray：原子操作对象引用数组

下面通过一段代码实现一个AtomicIntegerArray的累加器：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerArrayDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AddTest add = new AddTest();
        Thread[] t = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            t[i] = new Thread(add);
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            t[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            try {
                t[i].join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(add.arr);
    }

    static class AddTest implements Runnable {
        AtomicIntegerArray arr = new AtomicIntegerArray(10);

        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                arr.getAndIncrement(i % arr.length());
            }
        }
    }
}

我们不妨看一下输出：

由此可知，AtomicIntegerArray是线程安全的。

5.原子更新引用及字段
原子更新对象和字段的操作有：

• AtomicIntegerFieldUpdater：整型数据字段更新器
• AtomicLongFieldUpdater：长型数据字段更新器
• AtomicReferenceFieldUpdater：对象数据字段更新器
• AtomicReference：对象原子操作

我们用AtomicReferenceFieldUpdater更新字段操作：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class AtomicReferenceUpdaterDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Student student = new Student();
        student.setName("StudentA");
        Score score = new Score();
        score.setScore(80);
        student.setScore(score);
        Score newScore = new Score();
        newScore.setScore(90);
        student.setScore(newScore);
        System.out.println(student.getName() + ":旧成绩" + score.getScore() + "  新成绩：" + newScore.getScore());
    }
}

class Student {
    private String name;
    private volatile Score score;

    public Student(String name, Score score) {
        super();
        this.name = name;
        this.score = score;
    }

    public Student() {
        super();
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }

    public Score getScore() {
        return score;
    }

    public void setScore(Score score) {
        score_update.set(this, score);
    }

    public AtomicReferenceFieldUpdater<Student, Score> score_update = AtomicReferenceFieldUpdater
            .newUpdater(Student.class, Score.class, "score");
}

class Score {
    private int score;

    public Score() {
        super();
    }

    public Score(int score) {
        super();
        this.score = score;
    }

    public int getScore() {
        return score;
    }

    public void setScore(int score) {
        this.score = score;
    }
}

输出：

下面我们来看一段关于AtomicReference的代码（实现自动充值，当少于20元时，充值20元，再进行消费，每次消费10元）：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceDemo {
    static AtomicReference<Integer> money = new AtomicReference<Integer>(19);

    public static void main(String[] args) {
        Add add = new Add();
        Thread thread1 = new Thread(add);
        thread1.start();
        Reduce reduce = new Reduce();
        Thread thread2 = new Thread(reduce);
        thread2.start();
    }

    static class Add implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                while (true) {
                    Integer m = money.get();
                    if (m < 20) {
                        if (money.compareAndSet(m, m + 20)) {
                            System.out.println("充值成功，余额:" + money.get() + "元");
                            break;
                        }
                    } else {
                        break;
                    }
                }
            }
        }
    }

    static class Reduce implements Runnable {

        @Override
        public void run() {
            while (true) {
                while (true) {
                    Integer m = money.get();
                    if (m > 10) {
                        if (money.compareAndSet(m, m - 10)) {
                            System.out.println("成功消费10元，余额:" + money.get() + "元");
                            break;
                        }
                    } else {
                        break;
                    }
                }
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
            }
        }
    }
}

它的结果是这样的：

其实这种方法还是可能会出现cas无法判断数据状态的情况，虽然概率不大，但是一般也不采用这种方法。这儿我们先不着急，在我CAS算法和ABA问题的博客中，我们会引出这种现象以及解决方案。

最后，补充两点：

（1）CAS如果长时间不成功，会极大的增加CPU的开销。所以CAS不适合用在复杂的场景。

（2）AtomicIntegerFieldUpdater只能更新int型的数据，并不能Integer数据，要更新Integer数据要使用AtomicReferenceFieldUpdater。