并发包 concurrent(一) Atomic

1:基础概念

悲观锁(Pessimistic Lock), 顾名思义，就是很悲观，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。

乐观锁(Optimistic Lock), 顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。

原子操作：所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程），是不需要synchronized，通常情况下，在Java里面，++i或者--i不是线程安全的，这里面有三个独立的操作：获得变量当前值，为该值+1/-1，然后写回新的值。在没有额外资源可以利用的情况下，只能使用加锁才能保证读-改-写这三个操作是“原子性”的。

例如下面的例子 IncrementAndGet类中的next()方法是一个自增1操作，为了保证线程安全加了synchronized关键字

public class IncrementAndGet() {
    private int value;
　　  public synchronized int next(){
      return value++;
　　  }
}

这种加锁的方式属于悲观锁的方式，效率太低。可以采用例外一种方式处理：

1. 从内存中读取value 值，假设为10， 我们把这个值称为A

2. B = A+1 得到 B = 11

3. 用A 和 内存的值相比， 如果相等(就是说在过去的一段时间，没人修改内存的值)， 那就把B的值(11)写入内存,  如果不相等(就是说过去的一段时间， 有人修改了内存value 的值)， 意味着A已经不是最新值了， 那就放弃这次修改， 跳回第1步去”

第三步其实就是一条硬件指令，保证原子执行。 在单个CPU上就不用说了，如果是有多个CPU， 这个指令甚至会锁住总线， 确保同一时刻只有一个CPU能访问内存！

final AtomicInteger value = new AtomicInteger(10);
    @Test
    public final int test1(){
        for(;;){
            int current = value.get();//获取当前值
            int next = current+1; //设置期望值
            if(value.compareAndSet(current, next)){
                return next;
            }
        }
    }

AtomicInteger类compareAndSet通过原子操作实现了CAS操作，最底层基于汇编语言实现。

CAS是Compare And Set的一个简称，如下理解：

1，已知当前内存里面的值current和预期要修改成的值new传入

2，内存中AtomicInteger对象地址对应的真实值(因为有可能别修改)real与current对比，

相等表示real未被修改过，是“安全”的，将new赋给real结束然后返回；不相等说明real已经被修改，结束并重新执行1直到修改成功

我们仔细地审视这段代码， 它根本没有加锁， 其他线程都可以进入next()方法， 读取数据，操作数据， 最后使用CAS来决定这次操作是否有效， 如果内存值被别人改过，那就再次循环尝试，这就采用了乐观锁的方式。

为了说明AtomicInteger的原子性，这里代码演示多线程对一个int值进行自增操作，最后输出结果，代码如下：

public class AtomicIntegerDemo {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args){
        for (int i = 0; i < 5; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    //调用AtomicInteger的getAndIncement返回的是增加之前的值
                    System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
                }
            }).start();
        }
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

输出结果如下：

0
2
1
3
4
4

原子更新数组

通过原子更新数组里的某个元素，共有3个类：

• 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常用的方法有：

• int getAndSet(int i, int delta)：以原子方式将输入值与数组中索引为i的元素相加
• boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则以原子方式更新数组中索引为i的值为update值

public class AtomicIntegerArrayDemo {
    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]);
    }

运行结果是:

　　3 
　　1

数组value通过构造的方式传入AtomicIntegerArray中，实际上AtomicIntegerArray会将当前数组拷贝一份，所以在数组拷贝的操作不影响原数组的值。

原子更新引用类型

需要更新引用类型往往涉及多个变量，早atomic包有三个类：

• 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。

下面以AtomicReference为例进行说明：

public class AtomicReferenceDemo {

    static class User{
        private String name;
        private int id;

        public User(String name, int id) {
            this.name = name;
            this.id = id;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

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

        public int getId() {
            return id;
        }

        public void setId(int id) {
            this.id = id;
        }
    }

    public static AtomicReference<User> ar = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("aa",11);
        ar.set(user);
        User newUser = new User("bb",22);
        ar.compareAndSet(user,newUser);
        System.out.println(ar.get().getName());
        System.out.println(ar.get().getId());
    }
}

运行结果为：

bb 
22

可以看到user被成功更新。

原子更新字段类

如果需要原子更新某个类的某个字段，就需要用到原子更新字段类，可以使用以下几个类：

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。

要想原子更新字段，需要两个步骤：

1. 每次必须使用newUpdater创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类的字段
2. 更新类的字段（属性）必须为public volatile

下面的代码演示如何使用原子更新字段类更新字段：

public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {

    //创建一个原子更新器
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> atomicIntegerFieldUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"old");

    public static void main(String[] args){
        User user = new User("Tom",15);
        //原来的年龄
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.getAndIncrement(user));
        //现在的年龄
        System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.get(user));
    }

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

        public int getOld() {
            return old;
        }

        public void setOld(int old) {
            this.old = old;
        }
    }
}

输出的结果如下：

15 
16