14-Java中的13个原子操作类

Java中的13个原子操作类

  Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包(以下简称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、线程安全地更新一个变量的方式.
  因为变量的类型有很多种,所以在Atomic包里一共提供了13个类,属于4种类型的原子更新方式,分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性(字段).Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类

原子更新基本类型类

使用原子的方式更新基本类型,Atomic包提供了以下3个类：

• 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,所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解,AtomicInteger的常用方法如下:

方法	描述
int addAndGet(int delta)	以原子方式将输入的数值与实例中的值(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()	以原子方式将当前值加1,注意:这里返回的是自增前的值
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
int getAndSet(int newValue)	以原子方式设置为newValue的值,并返回旧值

AtomicInteger示例代码如下：

public class AtomicIntegerTest {
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
    }
}

getAndIncrement源码分析

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

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;
}

  从上面的代码可以看出：基本都是使用Unsafe实现的包装类对外提供功能的

• 先取得AtomicInteger里存储的数值
• 使用CASAtomicInteger的当前数值进行加1操作,该方法先检查当前数值是否等于current,等于意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过,则将AtomicInteger的当前数值更新成next的值,如果不等compareAndSet方法会返回false,程序会进入for循环重新进行compareAndSet操作

Unsafe的源码

// 如果当前数值是expected,则原子的将Java变量更新成x
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

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素,Atomic包提供了以下4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
• AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型

AtomicIntegerArray常用方法如下:

方法	描述
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

AtomicIntegerArray的使用实例代码如下：

public class AtomicIntegerArrayTest {
    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]);
    }
}

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

原子更新引用类型

  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,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类.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)

AtomicReference的使用示例代码如下：

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;
        }
    }
}

  代码中首先构建一个user对象,然后把user对象设置进AtomicReferenc中,最后调用compareAndSet方法进行原子更新操作,实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法

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:

• 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
• 更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符

AstomicIntegerFieldUpdater的示例代码如下

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    // 创建原子更新器，并设置需要更新的对象类和对象的属性
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");

    public static void main(String[] args) {
        // 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("conan", 10);
        // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        // 输出柯南现在的年龄
        System.out.println(a.get(conan));
    }

    public 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 int getOld() {
            return old;
        }
    }
}