一、Java中的13个原子操作类

Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式

1、原子更新基本类型类

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

以AtomicInteger为例：

int addAndGet(int delta)：以原子的方式将输入的数值与实例中的值相加，并返回结果
boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果输入的值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值
int getAndIncrement()：以原子的方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值
void lazySet(int newValue)：最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值
int getAndSet(int newValue)：以原子的方式设置为newValue,并返回旧值

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());
	}
}

运行结果：

1
2

查看Unsafe的源码：

    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);

Unsafe只提供了3中CAS方法，再查看AtomicBoolean源码，发现它是先把Boolean转成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现

2、原子更新数组

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：

int addAndGet(int i, int delta)：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：若当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值

public class AtomicIntegerArrayTest {
	static int[] value = new int[] { 1, 2 };
	static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);

	public static void main(String[] args) {
		System.out.println(ai.getAndSet(0, 3));
		System.out.println(ai.get(0));
		System.out.println(value[0]);
	}
}

运行结果：

1
3
1

数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的AtomicIntegerArray

3、原子更新引用类型

AtomicReferemce：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。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方式是AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)

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

	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;
		}
	}
}

运行结果：

Shinichi
17

4、原子更新字段类

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器
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。该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的ABA问题

想要原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符

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;
		}
	}
}

运行结果：

10
11

二、Java中的并发工具类

1、等待多线程完成的CountDownLatchDown

CountDownLatchDown允许一个或多个线程等待其他线程完成操作

await()：进入等待状态
countDown()：计数器减一

// 模拟800比赛,8个线程代表8名运动员,等待所有运动员到达终点后,准备清空跑道
public class CountDownLatchDown {
	public static void main(String[] args) {
		CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(8);
		new Thread(() -> {
			try {
				countDownLatch.await();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			System.out.println("800米比赛结束,准备清空跑道");
		}).start();
		for (int i = 0; i < 8; i++) {
			int finalI = i;
			new Thread(() -> {
				try {
					TimeUnit.SECONDS.sleep(finalI);
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "到达终点");
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				} finally {
					countDownLatch.countDown();
				}
			}).start();
		}
	}
}

CountDownLatch的构造函数接收一个int类型的参数作为计数器，如果你想等待N个点完成，这里就传入N。

当我们调用CountDownLatch的countDown方法时，N就会减1，CountDownLatch的await方法会阻塞当前线程，直到N变成零。由于countDown方法可以用在任何地方，所以这里说的N个点，可以是N个线程，也可以是1个线程里的N个执行步骤。用在多个线程时，只需要把这个CountDownLatch的引用传递到线程里即可

计数器必须大于等于0，只是等于0时候，计数器就是零，调用await方法时不会阻塞当前线程。CountDownLatch不可能重新初始化或者修改CountDownLatch对象的内部计数器的值。一个线程调用countDown方法happens-before另一个线程调用await方法

2、同步屏障CyclicBarrier

1）、CyclicBarrier简介

CyclicBarrier让一组线程到达一个屏障（也可以叫同步点）时被阻塞，直到最后一个线程到达屏障时，屏障才会开门，所有被屏障拦截的线程才会继续运行

CyclicBarrier默认的构造方法是CyclicBarrier(int parties)，其参数表示屏障拦截的线程数量，每个线程调用await()方法告诉CyclicBarrier我已经到达了屏障，然后当前线程被阻塞

// 模拟赛跑比赛,8个线程代表8名运动员,等待所有运动员准备就绪,一起执行开始比赛(开始比赛打印8次)
public class CyclicBarrierTest {
	public static void main(String[] args) {
		CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(8);
		for (int i = 0; i < 8; i++) {
			int finalI = i;
			new Thread(() -> {
				try {
					TimeUnit.SECONDS.sleep(finalI);
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备就绪");
					cyclicBarrier.await();
				} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
					e.printStackTrace();
				}
				System.out.println("开始比赛");
			}).start();
		}
	}
}

CyclicBarrier还提供了了一个构造函数CyclicBarrier(int parties, Runnable barrierAction)，用于在线程到达屏障时，优先执行barrierAction，方便处理更复杂的业务场景

// 模拟赛跑比赛,8个线程代表8名运动员,等待所有运动员准备就绪,裁判发令
public class CyclicBarrierTest2 {
	static class Referee implements Runnable {
		@Override
		public void run() {
			System.out.println("裁判发令");
		}
	}

	public static void main(String[] args) {
		CyclicBarrier cyclicBarrier = new CyclicBarrier(8, new Referee());
		for (int i = 0; i < 8; i++) {
			int finalI = i;
			new Thread(() -> {
				try {
					TimeUnit.SECONDS.sleep(finalI);
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "准备就绪");
					cyclicBarrier.await();
				} catch (InterruptedException | BrokenBarrierException e) {
					e.printStackTrace();
				}

			}).start();
		}
	}
}

2）、CyclicBarrier和CountDownLatchDown的区别

CountDownLatchDown的计数器只能使用一次，而CyclicBarrier的计数器可以使用reset()方法重置。所以CyclicBarrier能处理更为复杂的业务场景

CyclicBarrier还提供其他方法，比如getNumberWaiting()方法可以获得CyclicBarrier阻塞的线程数量。isBroken()方法用来了解阻塞的线程是否被中断

3、控制并发线程数的Semaphore

Semaphore使用来控制同时访问特定资源的线程数量，它通过协调各个线程，以保证合理的使用公共资源

public class SemaphoreTest {
	public static void main(String[] args) {
		Semaphore semaphore = new Semaphore(8);
		for (int i = 0; i < 10; i++) {
			new Thread(() -> {
				try {
					semaphore.acquire();
					System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "开始执行");
					TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
				} catch (InterruptedException e) {
					e.printStackTrace();
				} finally {
					semaphore.release();
				}
			}).start();
		}
	}
}

运行结果：

第一次有8个线程执行了打印，等待5秒后，后两个线程执行了打印

应用场景：Semaphore可以用于做流量控制，特别是公共资源有限的应用场景，比如限制数据库连接数和接口限流

Semaphore还提供一些其他方法：

intavailablePermits()：返回此信号量中当前可用的许可证数
intgetQueueLength()：返回正在等待获取许可证的线程数
booleanhasQueuedThreads()：是否有线程正在等待获取许可证
void reducePermits（int reduction）：减少reduction个许可证，是个protected方法
Collection getQueuedThreads()：返回所有等待获取许可证的线程集合，是个protected方法

4、线程间交换数据的Exchanger

public class ExchangerTest {
	public static void main(String[] args) {
		Exchanger<String> exchanger = new Exchanger<String>();
		String str1 = "hello world";
		String str2 = "test";
		new Thread(() -> {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始值:" + str1);
			try {
				String exchange = exchanger.exchange(str1);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "交换后:" + exchange);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}, "线程1").start();
		new Thread(() -> {
			System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "初始值:" + str2);
			try {
				String exchange = exchanger.exchange(str2);
				System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "交换后:" + exchange);
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
		}, "线程2").start();
	}
}

运行结果：

线程1初始值:hello world
线程2初始值:test
线程2交换后:hello world
线程1交换后:test

Java多线程：Java中的13个原子操作类+Java中的并发工具类

一、Java中的13个原子操作类

1、原子更新基本类型类

2、原子更新数组

3、原子更新引用类型

4、原子更新字段类

二、Java中的并发工具类

1、等待多线程完成的CountDownLatchDown

2、同步屏障CyclicBarrier

3、控制并发线程数的Semaphore

4、线程间交换数据的Exchanger

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