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聊一聊Java中的原子類

在前面的內(nèi)容中，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了CAS的原理，所以對(duì)于學(xué)習(xí)本節(jié)來說會(huì)非常容易。本節(jié)介紹Java中的原子類是java.util.concurrent.atomic包下的對(duì)象，他們之所以有原子性的共性，都來源于CAS，可見CAS的重要性。對(duì)于原子類變量的操作是不會(huì)存在并發(fā)性問題的，不需要使用同步手段進(jìn)行并發(fā)控制。它底層自身的實(shí)現(xiàn)即可保證變量的可見性以及操作的原子性，一般我們可以使用AtomicInteger，AtomicLong等實(shí)現(xiàn)計(jì)數(shù)器等功能，利用AtomicBoolean實(shí)現(xiàn)標(biāo)志位等功能。

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原子類是JDK5提供的，當(dāng)時(shí)只有12個(gè)原子類，發(fā)展到JDK8時(shí)，又多出了4個(gè)原子類，如下圖2-25所示，紅色框內(nèi)為JDK8新增加的。

 

圖2-25 Java16個(gè)原子類

下面我們來對(duì)這些原子類進(jìn)行分類講解。

2.10.1原子更新基本類型

l AtomicBoolean: 原子更新布爾類型。

l AtomicInteger: 原子更新整型。

l AtomicLong: 原子更新長整型。

我們以AtomicInteger為例，AtomicIngeter的常用方法如下：

n int addAndGet(int delta): 以原子的方式將參數(shù)與實(shí)例中的值相加，并返回結(jié)果。

n boolean compareAndSet(int expect, int update): 如果輸入的值等于預(yù)期值，則以原子方式將該值設(shè)置為輸入的值。

n int getAndIncrement(): 以原子的方式將當(dāng)前值加1，然后返回自增前的值，也就是舊值。此方法也是比較常用的方法，可以用來做計(jì)數(shù)器。

n void lazySet(int newValue): 最終會(huì)設(shè)置成newValue,使用lazySet設(shè)置值后，可能導(dǎo)致其他線程在之后的一小段時(shí)間內(nèi)還是可以讀到舊的值。

n int getAndSet(int newValue): 以原子的方式設(shè)置為newValue,并返回舊值。

n int incrementAndGet(): 和getAndIncrement一樣，他返回的是自增后的值。

記得在講解CAS應(yīng)用的代碼案例中，使用過原子自增的方法，下面我們看看getAndIncrement() 是如何實(shí)現(xiàn)原子操作的，請(qǐng)看2-45示例代碼中AtomicInteger部分源碼。

代碼清單2-45 AtomicInteger.java

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public final int getAndIncrement() { 
    2. 
  
  
  
  
  2.         return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); 
    3. 
  
  
  
  
  3.     } 
    4. 
  
  
  
  
  4.  
    5. 
  
  
  
  
  5. public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) { 
    6. 
  
  
  
  
  6.         int var5; 
    7. 
  
  
  
  
  7.         do { 
    8. 
  
  
  
  
  8.             var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); 
    10. 
  
  
  
  
  10.  
    11. 
  
  
  
  
  11.         return var5; 
    12. 
  
  
  
  
  12.     } 
    13.

我們?nèi)〉昧伺f值，然后把要加的數(shù)傳過去，調(diào)用getAndAddInt () 進(jìn)行原子更新操作，實(shí)際最核心的方法是 compareAndSwapInt()，使用CAS進(jìn)行更新。我們Unsafe只提供了3中CAS操作，另外注意，AtomicBoolean 是把Boolean轉(zhuǎn)成整型，在使用 compareAndSwapInt 進(jìn)行操作的。在atomic包里的對(duì)象基本都是使用Unsafe提供的3中CAS操作的方法實(shí)現(xiàn)的，請(qǐng)看Unsafe源碼，如代碼清單2-46所示。

代碼清單2-46 Unsafe.java

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. /** 
    2. 
  
  
  
  
  2.  * 如果當(dāng)前數(shù)值是var4，則原子的將java變量更新成var5或var6 
    3. 
  
  
  
  
  3.  * @return 如果更新成功返回true 
    4. 
  
  
  
  
  4.  */ 
    5. 
  
  
  
  
  5. public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); 
    6. 
  
  
  
  
  6.  
    7. 
  
  
  
  
  7.     public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); 
    8. 
  
  
  
  
  8.  
    9. 
  
  
  
  
  9.     public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6); 
    10.

2.10.2原子更新數(shù)組

l AtomicIntegerArray: 原子更新整型數(shù)組里的元素。

l AtomicLongArray: 原子更新長整型數(shù)組里的元素。

l AtomicReferenceArray: 原子更新引用類型數(shù)組里的元素。

這三個(gè)類的最常用的方法是如下兩個(gè)方法：

n get(int index)：獲取索引為index的元素值。

n compareAndSet(int i, int expect, int update): 如果當(dāng)前值等于預(yù)期值，則以原子方式將數(shù)組位置 i 的元素設(shè)置為update值。

2.10.3原子更新引用類型

l AtomicReference: 原子更新引用類型。

l AtomicReferenceFieldUpdater: 原子更新引用類型的字段。

l AtomicMarkableReferce: 原子更新帶有標(biāo)記位的引用類型，可以使用構(gòu)造方法更新一個(gè)布爾類型的標(biāo)記位和引用類型。

這三個(gè)類提供的方法都差不多，首先構(gòu)造一個(gè)引用對(duì)象，然后把引用對(duì)象set進(jìn)Atomic類，然后調(diào)用compareAndSet等一些方法去進(jìn)行原子操作，原理都是基于Unsafe實(shí)現(xiàn)，但AtomicReferenceFieldUpdater略有不同，更新的字段必須用volatile修飾。下面我們使用原子引用類型寫一個(gè)簡單的Demo，請(qǐng)看示例代碼2-47所示

代碼清單2-47 AtomicReferenceDemo.java

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public class AtomicReferenceDemo { 
    2. 
  
  
  
  
  2.     public static AtomicReference ai = new AtomicReference(); 
    3. 
  
  
  
  
  3.  
    4. 
  
  
  
  
  4.     public static void main(String[] args) { 
    5. 
  
  
  
  
  5.  
    6. 
  
  
  
  
  6.         User u1 = new User("pangHu", 18); 
    7. 
  
  
  
  
  7.         ai.set(u1); 
    8. 
  
  
  
  
  8.         User u2 = new User("pangPang", 15); 
    9. 
  
  
  
  
  9.         ai.compareAndSet(u1, u2); 
    10. 
  
  
  
  
  10.         System.out.println(ai.get().getAge() + ai.get().getName()); 
    11. 
  
  
  
  
  11.     } 
    12. 
  
  
  
  
  12.  
    13. 
  
  
  
  
  13.     static class User { 
    14. 
  
  
  
  
  14.         private String name; 
    15. 
  
  
  
  
  15.         private int age; 
    16. 
  
  
  
  
  16.  //省略getter、settrt 
    17. 
  
  
  
  
  17.     } 
    18. 
  
  
  
  
  18. } 
    19.

輸出結(jié)果。

15pangPang

2.10.4原子更新字段類

如果需要原子的更新類里某個(gè)字段時(shí)，需要用到原子更新字段類，Atomic包提供了3個(gè)類進(jìn)行原子字段更新：

l AtomicIntegerFieldUpdater: 原子更新整型的字段的更新器。

l AtomicLongFieldUpdater: 原子更新長整型字段的更新器。

l AtomicStampedFieldUpdater: 原子更新帶有版本號(hào)的引用類型。該方法比較重要，他和引用類型加上一個(gè)整數(shù)值，可以控制數(shù)據(jù)的版本號(hào)，這樣就可以解決CAS更新時(shí)可能出現(xiàn)的ABA問題。和引用類型一樣更新類的字段必須使用 public volatile 修飾。

2.10.5 JDK8新增原子類簡介

l DoubleAccumulator

l LongAccumulator

l DoubleAdder

l LongAdder

下面以 LongAdder 為例介紹一下，并列出使用注意事項(xiàng)。

這些類對(duì)應(yīng)把 AtomicLong 等類的改進(jìn)。比如 LongAccumulator 與 LongAdder 在高并發(fā)環(huán)境下比 AtomicLong 更高效。

Atomic、Adder在低并發(fā)環(huán)境下，兩者性能很相似。但在高并發(fā)環(huán)境下，Adder 有著明顯更高的吞吐量，但是有著更高的空間復(fù)雜度。

LongAdder其實(shí)是LongAccumulator的一個(gè)特例，調(diào)用LongAdder相當(dāng)使用下面的方式調(diào)用LongAccumulator。

sum()方法在沒有并發(fā)的情況下調(diào)用，如果在并發(fā)情況下使用會(huì)存在計(jì)數(shù)不準(zhǔn)，下面有代碼為例。

LongAdder不可以代替AtomicLong，雖然 LongAdder的add()方法可以原子性操作，但是并沒有使用 Unsafe 的CAS算法，只是使用了CAS的思想。

LongAdder其實(shí)是LongAccumulator的一個(gè)特例，調(diào)用LongAdder相當(dāng)使用下面的方式調(diào)用LongAccumulator，LongAccumulator提供了比LongAdder更強(qiáng)大的功能，構(gòu)造函數(shù)其中accumulatorFunction一個(gè)雙目運(yùn)算器接口，根據(jù)輸入的兩個(gè)參數(shù)返回一個(gè)計(jì)算值，identity則是LongAccumulator累加器的初始值。

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標(biāo)題名稱：聊一聊Java中的原子類
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