Java进阶——Java中的Atomic原子特性

引言

这篇文章会从基本概念中入手，首先，从volatile关键字引出原子性的概念和Atomic包，然后，介绍Atomic在使用中的用到的CAS技术和遇到的ABA问题，最后，介绍Atomic的成员和例子

基本概念

一、volatile

用volatile修饰的变量，线程在每次修改变量的时候，都会读取变量修改后的值，可以简单的理解为volatile修饰的变量保存的是变量的地址。volatile变量具有synchronized的可见性，但是不具备原子性

• 可见性：在多线程并发的条件下，对于变量的修改，其他线程中能获取到修改后的值
• 原子性：在多线程并发的条件下，对于变量的操作是线程安全的，不会受到其他线程的干扰

volatile不是线程安全的，要使volatile变量提供理想的线程安全，必须同时满足下面两个条件

• 对变量的写操作不依赖于当前值
• 该变量没有包含在具有其他变量的不变式中

比如增量操作（x++）看上去类似一个单独操作，实际上它是一个由[读取－修改－写入]操作序列组成的组合操作，必须以原子方式执行，而volatile不能提供必须的原子特性。实现正确的操作，应该使x的值在操作期间保持线程安全，而volatile变量无法实现这点

然而，Java提供了java.util.concurrent.atomic.*包下的变量或引用，让变量或对象的操作具有原子性，在高并发的情况下，依然能保持获取到最新修改的值，常见的有AtomicBoolean、AtomicReference等

• volatile原理：对于值的操作，会立即更新到主存中，当其他线程获取最新值时会从主存中获取
• atomic原理：对于值的操作，是基于底层硬件处理器提供的原子指令，保证并发时线程的安全

二、Atomic

Atomic的包名为java.util.concurrent.atomic。这个包里面提供了一组原子变量的操作类，这些类可以保证在多线程环境下，当某个线程在执行atomic的方法时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个线程执行

三、CAS

1、CAS简介

CAS指的是现代CPU广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。在Java并发应用中通常指CompareAndSwap或CompareAndSet，即比较并交换，是实现并发算法时常用到的一种技术。java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。乐观锁就是每次去取数据的时候都乐观的认为数据不会被修改，因此这个过程不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间的数据有没有更新

2、CAS思想

CAS有三个参数，当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做，并返回false

3、CAS优缺点

1. 系统在硬件层面保证了CAS操作的原子性，不会锁住当前线程，它的效率是很高的。但是在并发越高的条件下，失败的次数会越多，CAS如果长时间不成功，会极大的增加CPU的开销，因此CAS不适合竞争十分频繁的场景
2. CAS只能保证一个共享变量的原子操作，对多个共享变量操作时，无法保证操作的原子性，这时就可以用锁，或者把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作

四、ABA

CAS在操作值的时候检查值是否已经变化，没有变化的情况下才会进行更新。但是如果一个值原来是A，变成B，又变成A，那么CAS进行检查时会认为这个值没有变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决方法是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A就变成1A－2B－3A。JDK提供了AtomicStampedReference来解决ABA问题

Atomic成员

Atomic成员分为四大块

1. 原子方式更新基本类型
2. 原子方式更新数组
3. 原子方式更新引用
4. 原子方式更新字段

一、原子方式更新基本类型

• AtomicBoolean：原子更新布尔类型
• AtomicInteger：原子更新整型
• AtomicLong：原子更新长整型

简单的看下AtomicInteger提供的方法

方法名	方法作用
get()	直接返回值
set(int)	设置数据
getAndIncrement()	以原子方式将当前值加1，相当于线程安全的i++操作
incrementAndGet()	以原子方式将当前值加1，相当于线程安全的++i操作
getAndDecrement()	以原子方式将当前值减1，相当于线程安全的i–操作
decrementAndGet()	以原子方式将当前值减1，相当于线程安全的–i操作
getAndSet(int)	设置指定的数据，返回设置前的数据
addAndGet(int)	增加指定的数据，返回增加后的数据
getAndAdd(int)	增加指定的数据，返回变化前的数据
lazySet(int)	仅仅当get时才会set
compareAndSet(int, int)	比较源数据和期望数据(参数一)，若一致，则设置新数据(参数二)到源数据中并返回true，否则返回false

以AtomicInteger为例

public class Main {

    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        //先获取，再自增
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        //先自增，再获取
        System.out.println(ai.incrementAndGet());
        //增加一个指定值，先add，再get
        System.out.println(ai.addAndGet(5));
        //增加一个指定值,先get，再set
        System.out.println(ai.getAndSet(5));
    }
}

输出

1
3
8
8

二、原子方式更新数组

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素
• AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素
• AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素

以AtomicIntegerArray为例

public class Main {

    static int[] valueArr = new int[]{1, 2};

    //AtomicIntegerArray内部会拷贝一份数组
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(valueArr);

    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        //不会修改原始数组value
        System.out.println(ai.get(0));
        System.out.println(valueArr[0]);
    }
}

输出

3
1

三、原子方式更新引用

• AtomicReference：原子更新引用类型
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段
• AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型

以AtomicReference为例

public class Main {

    public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("Jack", 22);
        User updateUser = new User("Rose", 20);

        atomicUserRef.set(user);
        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;
        }
    }
}

输出

Rose
20

四、原子方式更新字段

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型

以AtomicIntegerFieldUpdater为例

public class Main {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(User.class, "old");

    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("Hensen", 20);
        System.out.println(a.getAndIncrement(user));
        System.out.println(a.get(user));
    }

    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;//注意需要用volatile修饰

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

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

输出

22
23