Java多線程學習（九）JUC 中的 Atomic 原子類總結

Youngs 發布于2019-08-16 13:34 / 3059人閱讀

摘要：即使是在多個線程一起執行的時候，一個操作一旦開始，就不會被其他線程干擾。另外是一個變量，在內存中可見，因此可以保證任何時刻任何線程總能拿到該變量的最新值。

個人覺得這一節掌握基本的使用即可！

本節思維導圖:

1 Atomic 原子類介紹

Atomic 翻譯成中文是原子的意思。在化學上，我們知道原子是構成一般物質的最小單位，在化學反應中是不可分割的。在我們這里 Atomic 是指一個操作是不可中斷的。即使是在多個線程一起執行的時候，一個操作一旦開始，就不會被其他線程干擾。

所以，所謂原子類說簡單點就是具有原子/原子操作特征的類。

并發包 java.util.concurrent 的原子類都存放在java.util.concurrent.atomic下,如下圖所示。

根據操作的數據類型，可以將JUC包中的原子類分為4類

基本類型

使用原子的方式更新基本類型

AtomicInteger：整形原子類

AtomicLong：長整型原子類

AtomicBoolean ：布爾型原子類

數組類型

使用原子的方式更新數組里的某個元素

AtomicIntegerArray：整形數組原子類

AtomicLongArray：長整形數組原子類

AtomicReferenceArray ：引用類型數組原子類

引用類型

AtomicReference：引用類型原子類

AtomicStampedRerence：原子更新引用類型里的字段原子類

AtomicMarkableReference ：原子更新帶有標記位的引用類型

對象的屬性修改類型

AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整形字段的更新器

AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整形字段的更新器

AtomicStampedReference ：原子更新帶有版本號的引用類型。該類將整數值與引用關聯起來，可用于解決原子的更新數據和數據的版本號，可以解決使用 CAS 進行原子更新時可能出現的 ABA 問題。

下面我們來詳細介紹一下這些原子類。

2 基本類型原子類 2.1 基本類型原子類介紹

使用原子的方式更新基本類型

AtomicInteger：整形原子類

AtomicLong：長整型原子類

AtomicBoolean ：布爾型原子類

上面三個類提供的方法幾乎相同，所以我們這里以 AtomicInteger 為例子來介紹。

AtomicInteger 類常用方法

public final int get() //獲取當前的值
public final int getAndSet(int newValue)//獲取當前的值，并設置新的值
public final int getAndIncrement()//獲取當前的值，并自增
public final int getAndDecrement() //獲取當前的值，并自減
public final int getAndAdd(int delta) //獲取當前的值，并加上預期的值
boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果輸入的數值等于預期值，則以原子方式將該值設置為輸入值（update）
public final void lazySet(int newValue)//最終設置為newValue,使用 lazySet 設置之后可能導致其他線程在之后的一小段時間內還是可以讀到舊的值。

2.2 AtomicInteger 常見方法使用

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int temvalue = 0;
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
        temvalue = i.getAndSet(3);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);//temvalue:0;  i:3
        temvalue = i.getAndIncrement();
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);//temvalue:3;  i:4
        temvalue = i.getAndAdd(5);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);//temvalue:4;  i:9
    }

}

2.3 基本數據類型原子類的優勢

通過一個簡單例子帶大家看一下基本數據類型原子類的優勢

①多線程環境不使用原子類保證線程安全（基本數據類型）

class Test {
        private volatile int count = 0;
        //若要線程安全執行執行count++，需要加鎖
        public synchronized void increment() {
                  count++; 
        }

        public int getCount() {
                  return count;
        }
}

②多線程環境使用原子類保證線程安全（基本數據類型）

class Test2 {
        private AtomicInteger count = new AtomicInteger();

        public void increment() {
                  count.incrementAndGet();
        }
      //使用AtomicInteger之后，不需要加鎖，也可以實現線程安全。
       public int getCount() {
                return count.get();
        }
}

2.4 AtomicInteger 線程安全原理簡單分析

AtomicInteger 類的部分源碼：

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates（更新操作時提供“比較并替換”的作用）
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;

AtomicInteger 類主要利用 CAS (compare and swap) + volatile 和 native 方法來保證原子操作，從而避免 synchronized 的高開銷，執行效率大為提升。

CAS的原理是拿期望的值和原本的一個值作比較，如果相同則更新成新的值。UnSafe 類的 objectFieldOffset() 方法是一個本地方法，這個方法是用來拿到“原來的值”的內存地址，返回值是 valueOffset。另外 value 是一個volatile變量，在內存中可見，因此 JVM 可以保證任何時刻任何線程總能拿到該變量的最新值。

3 數組類型原子類 3.1 數組類型原子類介紹

使用原子的方式更新數組里的某個元素

AtomicIntegerArray：整形數組原子類

AtomicLongArray：長整形數組原子類

AtomicReferenceArray ：引用類型數組原子類

上面三個類提供的方法幾乎相同，所以我們這里以 AtomicIntegerArray 為例子來介紹。

AtomicIntegerArray 類常用方法

public final int get(int i) //獲取 index=i 位置元素的值
public final int getAndSet(int i, int newValue)//返回 index=i 位置的當前的值，并將其設置為新值：newValue
public final int getAndIncrement(int i)//獲取 index=i 位置元素的值，并讓該位置的元素自增
public final int getAndDecrement(int i) //獲取 index=i 位置元素的值，并讓該位置的元素自減
public final int getAndAdd(int delta) //獲取 index=i 位置元素的值，并加上預期的值
boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果輸入的數值等于預期值，則以原子方式將 index=i 位置的元素值設置為輸入值（update）
public final void lazySet(int i, int newValue)//最終 將index=i 位置的元素設置為newValue,使用 lazySet 設置之后可能導致其他線程在之后的一小段時間內還是可以讀到舊的值。

3.2 AtomicIntegerArray 常見方法使用

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

public class AtomicIntegerArrayTest {

    public static void main(String[] args) {
        // TODO Auto-generated method stub
        int temvalue = 0;
        int[] nums = { 1, 2, 3, 4, 5, 6 };
        AtomicIntegerArray i = new AtomicIntegerArray(nums);
        for (int j = 0; j < nums.length; j++) {
            System.out.println(i.get(j));
        }
        temvalue = i.getAndSet(0, 2);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);
        temvalue = i.getAndIncrement(0);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);
        temvalue = i.getAndAdd(0, 5);
        System.out.println("temvalue:" + temvalue + ";  i:" + i);
    }

}

4 引用類型原子類 4.1 引用類型原子類介紹

基本類型原子類只能更新一個變量，如果需要原子更新多個變量，需要使用引用類型原子類。

AtomicReference：引用類型原子類

AtomicStampedRerence：原子更新引用類型里的字段原子類

AtomicMarkableReference ：原子更新帶有標記位的引用類型

上面三個類提供的方法幾乎相同，所以我們這里以 AtomicReference 為例子來介紹。

4.2 AtomicReference 類使用示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicReference ar = new AtomicReference();
        Person person = new Person("SnailClimb", 22);
        ar.set(person);
        Person updatePerson = new Person("Daisy", 20);
        ar.compareAndSet(person, updatePerson);

        System.out.println(ar.get().getName());
        System.out.println(ar.get().getAge());
    }
}

class Person {
    private String name;
    private int age;

    public Person(String name, int age) {
        super();
        this.name = name;
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

}

上述代碼首先創建了一個 Person 對象，然后把 Person 對象設置進 AtomicReference 對象中，然后調用 compareAndSet 方法，該方法就是通過通過 CAS 操作設置 ar。如果 ar 的值為 person 的話，則將其設置為 updatePerson。實現原理與 AtomicInteger 類中的 compareAndSet 方法相同。運行上面的代碼后的輸出結果如下：

Daisy
20

5 對象的屬性修改類型原子類 5.1 對象的屬性修改類型原子類介紹

如果需要原子更新某個類里的某個字段時，需要用到對象的屬性修改類型原子類。

AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整形字段的更新器

AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整形字段的更新器

要想原子地更新對象的屬性需要兩步。第一步，因為對象的屬性修改類型原子類都是抽象類，所以每次使用都必須使用靜態方法 newUpdater()創建一個更新器，并且需要設置想要更新的類和屬性。第二步，更新的對象屬性必須使用 public volatile 修飾符。

上面三個類提供的方法幾乎相同，所以我們這里以 AtomicIntegerFieldUpdater為例子來介紹。

5.2 AtomicIntegerFieldUpdater 類使用示例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");

        User user = new User("Java", 22);
        System.out.println(a.getAndIncrement(user));// 22
        System.out.println(a.get(user));// 23
    }
}

class User {
    private String name;
    public volatile int age;

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

    public String getName() {
        return name;
    }

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

    public int getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }

}

輸出結果：

22
23

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