聊一聊Java中的原子類
在前面的內容中，我們已經學習了CAS的原理，所以對于學習本節來說會非常容易。本節介紹Java中的原子類是java.util.concurrent.atomic包下的對象，他們之所以有原子性的共性，都來源于CAS，可見CAS的重要性。對于原子類變量的操作是不會存在并發性問題的，不需要使用同步手段進行并發控制。它底層自身的實現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等實現計數器等功能，利用AtomicBoolean實現標志位等功能。
原子類是JDK5提供的，當時只有12個原子類，發展到JDK8時，又多出了4個原子類，如下圖2-25所示，紅色框內為JDK8新增加的。
圖2-25 Java16個原子類
下面我們來對這些原子類進行分類講解。
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與實例中的值相加，并返回結果。
n boolean compareAndSet(int expect, int update): 如果輸入的值等于預期值，則以原子方式將該值設置為輸入的值。
n int getAndIncrement(): 以原子的方式將當前值加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，可以用來做計數器。
n void lazySet(int newValue): 最終會設置成newValue,使用lazySet設置值后，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。
n int getAndSet(int newValue): 以原子的方式設置為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() 是如何實現原子操作的，請看2-45示例代碼中AtomicInteger部分源碼。
代碼清單2-45 AtomicInteger.java
- 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;
- }
我們取得了舊值，然后把要加的數傳過去，調用getAndAddInt () 進行原子更新操作，實際最核心的方法是 compareAndSwapInt()，使用CAS進行更新。我們Unsafe只提供了3中CAS操作，另外注意，AtomicBoolean 是把Boolean轉成整型，在使用 compareAndSwapInt 進行操作的。在atomic包里的對象基本都是使用Unsafe提供的3中CAS操作的方法實現的，請看Unsafe源碼，如代碼清單2-46所示。
代碼清單2-46 Unsafe.java
- /**
- * 如果當前數值是var4，則原子的將java變量更新成var5或var6
- * @return 如果更新成功返回true
- */
- 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);
2.10.2原子更新數組
l AtomicIntegerArray: 原子更新整型數組里的元素。
l AtomicLongArray: 原子更新長整型數組里的元素。
l AtomicReferenceArray: 原子更新引用類型數組里的元素。
這三個類的最常用的方法是如下兩個方法：
n get(int index)：獲取索引為index的元素值。
n compareAndSet(int i, int expect, int update): 如果當前值等于預期值，則以原子方式將數組位置 i 的元素設置為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: 原子更新帶有標記位的引用類型，可以使用構造方法更新一個布爾類型的標記位和引用類型。
這三個類提供的方法都差不多，首先構造一個引用對象，然后把引用對象set進Atomic類，然后調用compareAndSet等一些方法去進行原子操作，原理都是基于Unsafe實現，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簡單的Demo，請看示例代碼2-47所示
代碼清單2-47 AtomicReferenceDemo.java
- public class AtomicReferenceDemo {
- public static AtomicReference<User> ai = new AtomicReference<User>();
- public static void main(String[] args) {
- User u1 = new User("pangHu", 18);
- ai.set(u1);
- User u2 = new User("pangPang", 15);
- ai.compareAndSet(u1, u2);
- System.out.println(ai.get().getAge() + ai.get().getName());
- }
- static class User {
- private String name;
- private int age;
- //省略getter、settrt
- }
- }
輸出結果。
15pangPang
2.10.4原子更新字段類
如果需要原子的更新類里某個字段時，需要用到原子更新字段類，Atomic包提供了3個類進行原子字段更新：
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的引用類型。該方法比較重要，他和引用類型加上一個整數值，可以控制數據的版本號，這樣就可以解決CAS更新時可能出現的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。
這些類對應把 AtomicLong 等類的改進。比如 LongAccumulator 與 LongAdder 在高并發環境下比 AtomicLong 更高效。
Atomic、Adder在低并發環境下，兩者性能很相似。但在高并發環境下，Adder 有著明顯更高的吞吐量，但是有著更高的空間復雜度。
LongAdder其實是LongAccumulator的一個特例，調用LongAdder相當使用下面的方式調用LongAccumulator。
sum()方法在沒有并發的情況下調用，如果在并發情況下使用會存在計數不準，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其實是LongAccumulator的一個特例，調用LongAdder相當使用下面的方式調用LongAccumulator，LongAccumulator提供了比LongAdder更強大的功能，構造函數其中accumulatorFunction一個雙目運算器接口，根據輸入的兩個參數返回一個計算值，identity則是LongAccumulator累加器的初始值。
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