当程序更新一个变量时,如果是多线程同时更新这个变量,可能得到的结果与期望值不同。比如:有一个变量i,A线程执行i+1,B线程也执行i+1,经过两个线程的操作后,变量i的值可能不是期望的3,而是2。这是因为,可能在A线程和B线程执行的时候拿到的i的值都是1,这就是线程不安全的更新操作,通常我们会使用synchronized来解决这个问题,synchronized能保证多线程不会同时更新变量i.

  从java1.5开始,jdk提供了java.util.concurrent.atomic包,这个包中的原子操作类,提供了一种用法简单,性能高效,线程安全的更新一个变量的方式。

  atomic包里面一共提供了13个类,分为4种类型,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,这13个类都是使用Unsafe实现的包装类。

一.原子更新基本类型

  atomic提供了3个类用于原子更新基本类型:分别是AtomicInteger原子更新整形,AtomicLong原子更新长整形,AtomicBoolean原子更新bool值。由于这三个类提供的方法几乎是一样的,因此本节以AtomicInteger为例进行说明。

  AtomicInteger的常用方法有:

    1.int addAndGet(int delta):以原子的方式将输入的值与实例中的值相加,并把结果返回

    2.boolean compareAndSet(int expect, int update):如果输入值等于预期值,以原子的方式将该值设置为输入的值

    3.final int getAndIncrement():以原子的方式将当前值加1,并返回加1之前的值

    4.void lazySet(int newValue):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。

    5.int getAndSet(int newValue):以原子的方式将当前值设置为newValue,并返回设置之前的旧值

getAndIncremen是如何实现原子操作的呢?让我们看一下getAndIncremen的实现代码,并分析实现原理。getAndIncremen的实现代码如下

public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

我们可以看到getAndIncrement调用了unsafe的getAndAddInt,getAndAddInt的实现:

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5;
}

getAndAddInt调用了Unsafe的native方法:getIntVolatile和compareAndSwapInt,在do-while循环中先取得当前值,然后通过CAS判断当前值是否和current一致,如果一致意味着值没被其他线程修改过,把当前值设置为当前值+var4,,如果不相等程序进入信的CAS循环。

  由于atomic只提供了int,long和boolean的原子操作类,那么其他的基本类型,如byte,char,float,double如何实现原子操作呢,原子操作都是通过Unsafe实现的,让我们看一下Unsafe的实现

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

    public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

  通过代码,我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法:compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong,再看AtomicBoolean源码,发现它是先把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

  atomic里提供了三个类用于原子更新数组里面的元素,分别是:

  AtomicIntegerArray:原子更新整形数组里的元素

  AtomicLongArray:原子更新长整形数组里的元素

  AtomicReferenceArray:原子更新引用数组里的元素

  因为每个类里面提供的方法都一致,因此以AtomicIntegerArray为例来说明。AtomicIntegerArray主要提供了以原子方式更新数组里的整数,常见方法如下:

  int addAndGet(int i, int delta):以原子的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,则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

 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,不会影响传入的数组。

三.原子更新引用

  原子更新基本类型的AtomicInteger只能更新一个变量,如果要原子更新多个变量,就需要使用原子更新引用类型提供的类了。原子引用类型atomic包主要提供了以下几个类:

  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,booleaninitialMark)

  以上类中提供的方法基本一致,我们以AtomicReference为例说明:

public class AtomicReferenceTest {

    private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args){
User user = new User("tom",23);
reference.set(user);
User updateUser = new User("ketty",34);
reference.compareAndSet(user,updateUser);
System.out.println(reference.get().getName());
System.out.println(reference.get().getAge());
} static class User{ private String name;
private int age; public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
} public String getName() {
return name;
} public int getAge() {
return age;
}
}
}

 上述代码中首先创建一个user对象,然后把user对象设置进AtomicReference中,最后通过compareAndSet做原子更新操作,运行结果如下:

ketty
34

四.原子更新属性

  如果需要原子更新某个对象的某个字段,就需要使用原子更新属性的相关类,atomic中提供了一下几个类用于原子更新属性:

  AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整形属性的更新器

  AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整形的更新器

  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。

  想要原子的更新字段,需要两个步骤:

  1.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.更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符

  本节仅以AstomicIntegerFieldUpdater为例进行讲解,AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下:

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    //创建原子更新器
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age"); public static void main(String[] args){
User user = new User("ketty",21);
//ketty长了一岁
updater.getAndIncrement(user);
System.out.println(updater.get(user));
} static class User{ private String name;
public volatile int age; public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
} public String getName() {
return name;
} public int getAge() {
return age;
}
}
}

如果age的修饰符号不是 public volatile,回报一下错误:

Exception in thread "main" java.lang.ExceptionInInitializerError
Caused by: java.lang.RuntimeException: java.lang.IllegalAccessException: Class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest can not access a member of class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest$User with modifiers "private"
at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:405)
at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(AtomicIntegerFieldUpdater.java:88)
at com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest.<clinit>(AtomicIntegerFieldUpdaterTest.java:8)
Caused by: java.lang.IllegalAccessException: Class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest can not access a member of class com.ysl.atomic.AtomicIntegerFieldUpdaterTest$User with modifiers "private"
at sun.reflect.Reflection.ensureMemberAccess(Reflection.java:102)
at sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(ReflectUtil.java:103)
at java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater$AtomicIntegerFieldUpdaterImpl.<init>(AtomicIntegerFieldUpdater.java:394)
... 2 more

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