7.java中的13個原子操作類
當程式更新一個變數時，如果多執行緒同時更新這個變數，可能得到期望之外的值，比如變數i=1，A執行緒更新i+1，B執行緒也更新i+1，經過兩個執行緒操作之後可能i不等於3，而是等於2。因為A和B執行緒在更新變數i的時候拿到的i都是1，這就是執行緒不安全的更新操作，通常我們會使用synchronized來解決這個問題，synchronized會保證多執行緒不會同時更新變數i。
而Java從JDK 1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下簡稱Atomic包），這個包中的原子操作類提供了一種用法簡單、效能高效、執行緒安全地更新一個變數的方式。
因為變數的型別有很多種，所以在Atomic包裡一共提供了13個類，屬於4種類型的原子更新方式，分別是原子更新基本型別、原子更新陣列、原子更新引用、原子更新屬性（欄位）
Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。
一、原子更新基本型別類
使用原子的方式更新基本型別，Atomic包提供了以下3個類。
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AtomicBoolean：原子更新布林型別。
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AtomicInteger：原子更新整型。
-
AtomicLong：原子更新長整型。
以上3個類提供的方法幾乎一模一樣，所以本節僅以AtomicInteger為例進行講解，AtomicInteger的常用方法如下。
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int addAndGet（int delta）：以原子方式將輸入的數值與例項中的值（AtomicInteger裡的value）相加，並返回結果。
-
boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果輸入的數值等於預期值，則以原子方式將該值設定為輸入的值
。 -
int getAndIncrement()：以原子方式將當前值加1，注意，這裡返回的是自增前的值。
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void lazySet（int newValue）：最終會設定成newValue，使用lazySet設定值後，可能導致其他執行緒在之後的一小段時間內還是可以讀到舊的值。關於該方法的更多資訊可以參考併發程式設計網翻譯的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》，文章地址是“http://ifeve.com/how-does-atomiclong-lazyset-work/”。
-
int getAndSet（int newValue）：以原子方式設定為newValue的值，並返回舊值
。
程式碼清單7-1 AtomicIntegerTest.java
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
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());
}
}
輸出結果如下。
1
2
那麼getAndIncrement是如何實現原子操作的呢？讓我們一起分析其實現原理，getAndIncrement的原始碼如程式碼清單7-2所示。
程式碼清單7-2 AtomicInteger.java
public final int getAndIncrement () {
for (; ; ) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next)) return current;
}
}
public final boolean compareAndSet ( int expect, int update){
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
原始碼中for迴圈體的第一步先取得AtomicInteger裡儲存的數值，第二步對AtomicInteger的當前數值進行加1操作，關鍵的第三步呼叫compareAndSet方法來進行原子更新操作，該方法先檢查當前數值是否等於current，等於意味著AtomicInteger的值沒有被其他執行緒修改過，則將AtomicInteger的當前數值更新成next的值，如果不等compareAndSet方法會返回false，程式會進入for迴圈重新進行compareAndSet操作。
Atomic包提供了3種基本型別的原子更新，但是Java的基本型別裡還有char、float和double等。那麼問題來了，如何原子的更新其他的基本型別呢？Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的，讓我們一起看一下Unsafe的原始碼，如程式碼清單7-3所示。
程式碼清單7-3 Unsafe.java
/**
* 如果當前數值是expected，
* 則原子的將Java變數更新成x *
* @return 如果更新成功則返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);
通過程式碼，我們發現Unsafe只提供了3種CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean原始碼，發現它是先把Boolean轉換成整型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，所以原子更新char、float和double變數也可以用類似的思路來實現。
二、原子更新陣列
通過原子的方式更新數組裡的某個元素，Atomic包提供了以下4個類。
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AtomicIntegerArray：原子更新整型數組裡的元素。
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AtomicLongArray：原子更新長整型數組裡的元素。
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AtomicReferenceArray：原子更新引用型別數組裡的元素。
AtomicIntegerArray類主要是提供原子的方式更新數組裡的整型，其常用方法如下。
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int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式將輸入值與陣列中索引i的元素相加。
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boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果當前值等於預期值，則以原子方式將陣列位置i的元素設定成update值。
以上幾個類提供的方法幾乎一樣，所以本節僅以AtomicIntegerArray為例進行講解，AtomicIntegerArray的使用例項程式碼如程式碼清單7-4所示。
程式碼清單7-4 AtomicIntegerArrayTest.java
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]);
}
}
以下是輸出的結果。
3
1
需要注意的是，陣列value通過構造方法傳遞進去，然後AtomicIntegerArray會將當前陣列複製一份，所以當AtomicIntegerArray對內部的陣列元素進行修改時，不會影響傳入的陣列。
三、原子更新引用型別
原子更新基本型別的AtomicInteger，只能更新一個變數，如果要原子更新多個變數，就需要使用這個原子更新引用型別提供的類。Atomic包提供了以下3個類。
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AtomicReference：原子更新引用型別。
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AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用型別裡的欄位。
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AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用型別。可以原子更新一個布林型別的標記位和引用型別。構造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，boolean initialMark）。
以上幾個類提供的方法幾乎一樣，所以本節僅以AtomicReference為例進行講解，AtomicReference的使用示例程式碼如程式碼清單7-5所示。
程式碼清單7-5 AtomicReferenceTest.java
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());
}
@data
@gouzaoqi
static class User {
private String name;
private int old;
}
}
程式碼中首先構建一個user物件，然後把user物件設定進AtomicReferenc中，最後呼叫compareAndSet方法進行原子更新操作，實現原理同AtomicInteger裡的compareAndSet方法。程式碼執行後輸出結果如下。
Shinichi
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四、原子更新欄位類
如果需原子地更新某個類裡的某個欄位時，就需要使用原子更新欄位類，Atomic包提供了以下3個類進行原子欄位更新。
-
AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的欄位的更新器。
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AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型欄位的更新器。
-
AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用型別。該類將整數值與引用關聯起來，可用於原子的更新資料和資料的版本號，可以解決使用CAS進行原子更新時可能出現的ABA問題。
要想原子地更新欄位類需要兩步。
1、第一步，因為原子更新欄位類都是抽象類，每次使用的時候必須使用靜態方法newUpdater()建立一個更新器，並且需要設定想要更新的類和屬性。
2、第二步，更新類的欄位（屬性）必須使用public volatile修飾符。
以上3個類提供的方法幾乎一樣，所以本節僅以AstomicIntegerFieldUpdater為例進行講解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例程式碼如程式碼清單7-6所示。
程式碼清單7-6 AtomicIntegerFieldUpdaterTest.java
public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
// 建立原子更新器，並設定需要更新的物件類和物件的屬性
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a =
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class， "old");
public static void main(String[] args) {
// 設定柯南的年齡是10歲
User conan = new User("conan"， 10);
// 柯南長了一歲，但是仍然會輸出舊的年齡
System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
// 輸出柯南現在的年齡
System.out.println(a.get(conan));
}
@data
@AllArgsConstructor
public static class User {
private String name;
public volatile int old;
}
}
程式碼執行後輸出如下。
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五、本章小結
本章介紹了JDK中併發包裡的13個原子操作類以及原子操作類的實現原理，讀者需要熟悉這些類和使用場景，在適當的場合下使用它