Java中的Atomic包使用指南
本文首發於併發網，作者：方騰飛
引言
Java從JDK1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程式設計師在多執行緒環境下，無鎖的進行原子操作。原子變數的底層使用了處理器提供的原子指令，但是不同的CPU架構可能提供的原子指令不一樣，也有可能需要某種形式的內部鎖,所以該方法不能絕對保證執行緒不被阻塞。
Atomic包介紹
在Atomic包裡一共有12個類，四種原子更新方式，分別是原子更新基本型別，原子更新陣列，原子更新引用和原子更新欄位。Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。
原子更新基本型別類
用於通過原子的方式更新基本型別，Atomic包提供了以下三個類：
- AtomicBoolean：原子更新布林型別。
- AtomicInteger：原子更新整型。
- AtomicLong：原子更新長整型。
AtomicInteger的常用方法如下：
- 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。
- 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網翻譯的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》
- int getAndSet(int newValue)：以原子方式設定為newValue的值，並返回舊值。
AtomicInteger例子程式碼如下：
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());
}
}
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餐後甜點
Atomic包提供了三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，讓我們一起看下Unsafe的原始碼，發現Unsafe只提供了三種CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean原始碼，發現其是先把Boolean轉換成整型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，所以原子更新double也可以用類似的思路來實現。
原子更新陣列類
通過原子的方式更新數組裡的某個元素，Atomic包提供了以下三個類：
- AtomicIntegerArray：原子更新整型數組裡的元素。
- AtomicLongArray：原子更新長整型數組裡的元素。
- 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
- 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。
- 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。
例項程式碼如下：
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]);
}
}
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AtomicIntegerArray類需要注意的是，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，不會影響到傳入的陣列。
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，如果要原子的更新多個變數，就需要使用這個原子更新引用型別提供的類。Atomic包提供了以下三個類：
- AtomicReference：原子更新引用型別。
- AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用型別裡的欄位。
- AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用型別。可以原子的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)
AtomicReference的使用例子程式碼如下：
public class AtomicReferenceTest {
public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference</user><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;
}
}
}
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Shinichi 17
原子更新欄位類
如果我們只需要某個類裡的某個欄位，那麼就需要使用原子更新欄位類，Atomic包提供了以下三個類：
- AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的欄位的更新器。
- 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。
原子更新欄位類都是抽象類，每次使用都時候必須使用靜態方法newUpdater建立一個更新器。原子更新類的欄位的必須使用public volatile修飾符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子程式碼如下：
public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
.newUpdater(User.class, "old");
public static void main(String[] args) {
User conan = new User("conan", 10);
System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
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;
}
}
}
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參考資料
