原子操作类解读-阿里云开发者社区

原子操作类概述

Java中提供了一些原子操作类，用于实现多线程环境下的数据同步问题。其中最常见的有以下几种：

1. AtomicBoolean：原子操作布尔型变量。

2. AtomicInteger：原子操作整型变量。

3. AtomicLong：原子操作长整型变量。

4. AtomicReference：原子操作引用类型变量。

5. AtomicStampedReference：原子操作带有版本号的引用类型变量。

这些原子操作类都提供了一些线程安全的方法，比如get、set、compareAndSet等，可以保证数据的原子性操作，避免了多线程环境下的数据竞争问题。

多线程环境不使用原子类保证线程安全i（基本数据类型)

1. public class AtomicIntegerTest {
2. 
3. volatile int num=0;
4. 
5. public int getNumber(){
6. return num;
7.     }
8. 
9. public synchronized void addNumber(){
10.          num++;
11.     }
12. }

多线程环境使用原子类保证线程安全i++（基本数据类型）

1. public class AtomicIntegerTest {
2. 
3. AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
4. 
5. public int getNum(){
6. return atomicInteger.get();
7.     }
8. 
9. public void addNum(){
10.         atomicInteger.getAndIncrement();
11.     }
12. }

volatile解决多线程内存不可见问题对于一写多读，是可以解决变量同步问题，但是如果多写，同样无法解决线程安全问题。也就是无法保证原子性。
如果是count++操作，使用如下类实现:
AtomicInteger count = new AtomicInteger();
count.addAndGet(1);
如果是JDK8，推荐使用LongAdder对象，比AtomicLong性能更好（减少乐观锁的重试次数)。

代码实战（AtomicInteger）

AtomicInteger 常用API操作

1. public class AtomicIntegerTest {
2. public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
3. AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
4. CountDownLatch latch = new CountDownLatch(50);
5. for(int i=0;i<50;i++){
6. new Thread(()->{
7. try {
8. for(int j=0;j<10000;j++){
9.                         atomicInteger.getAndIncrement();
10.                     }
11.                 }finally {
12.                     latch.countDown();
13.                 }
14.             },""+i).start();
15.         }
16.       latch.await();
17.         System.out.println("最终结果"+atomicInteger.get());
18.     }
19. }

代码实战（数组类型原子类）

AtomicIntegerArray是一个原子性的数组，它提供了一系列线程安全的方法。

1. AtomicIntegerArray(int length)：创建一个给定长度的AtomicIntegerArray。

2. AtomicIntegerArray(int[] array)：用一个给定的数组创建一个AtomicIntegerArray。

3. int length()：返回AtomicIntegerArray的长度。

4. int get(int index)：获取给定索引处的元素的值。

5. void set(int index, int newValue)：设置给定索引处的元素为指定值。

6. void lazySet(int index, int newValue)：设置给定索引处的元素为指定值，但不保证立即生效。

7. int getAndSet(int index, int newValue)：设置给定索引处的元素为指定值，并返回先前的值。

8. boolean compareAndSet(int index, int expect, int update)：如果当前值等于期望值，则将其设置为新值，并返回true。

9. boolean weakCompareAndSet(int index, int expect, int update)：如果当前值等于期望值，则将其设置为新值，并返回true。在竞争高的情况下，此方法比compareAndSet更有效。

10. int getAndIncrement(int index)：返回原始值并将给定索引处的元素增加1。

11. int getAndDecrement(int index)：返回原始值并将给定索引处的元素减少1。

12. int getAndAdd(int index, int delta)：返回原始值，并将给定索引处的元素增加给定的值。

13. void addAndGet(int index, int delta)：将给定的值添加到给定索引处的元素，并返回新值。

14. boolean weakCompareAndSetAcquire(int index, int expect, int update)：这是一个JDK13及以上版本的API，在Java11和12中不存在。这个方法和weakCompareAndSet方法一样，增加了一个内存屏障，即强制对该操作执行ACQUIRE半屏障，可用于加锁或者线程同步。

15. boolean weakCompareAndSetRelease(int index, int expect, int update)：这是一个JDK13及以上版本的API，在Java11和12中不存在。这个方法和weakCompareAndSet方法一样，增加了一个内存屏障，即强制对该操作执行RELEASE半屏障，可用于解锁或者线程同步。

1. public class AtomicIntegerArrayTest {
2. public static void main(String[] args) {
3. AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(new int[5]);
4. for (int i=0;i<atomicIntegerArray.length();i++){
5.             System.out.println(atomicIntegerArray.get(i));
6.         }
7. AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(new int[]{1,2,3,4,5});
8.         array.getAndAdd(0, 999);
9.         System.out.println(array.get(0));
10.         array.getAndIncrement(4);
11.         System.out.println(array.get(4));
12.     }
13. }

代码实战（引用类型原子类）

AtomicStampedReference携带版本号的引用类型原子类，可以解决ABA问题。解决修改过几次。状态戳原子引用AtomicMarkableReference原子更新带有标记位的引用类型对象。它的定义就是将状态戳简化为true/false。解决是否修改过，类似一次性筷子。状态戳(true/false)原子引用

1. public class AtomicMarkableReferenceTest {
2. public static void main(String[] args) {
3.         AtomicMarkableReference<Integer> reference = new AtomicMarkableReference<>(1,false);
4. new Thread(()->{
5. boolean marked = reference.isMarked();
6. Integer integer = reference.getReference();
7. try {
8.                 TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
9.             } catch (InterruptedException e) {
10.                 e.printStackTrace();
11.             }
12.             reference.compareAndSet(integer,99,marked,!marked);
13.         },"A").start();
14. new Thread(()->{
15. boolean marked = reference.isMarked();
16. Integer integer = reference.getReference();
17. try {
18.                 TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
19.             } catch (InterruptedException e) {
20.                 e.printStackTrace();
21.             }
22.             System.out.println("B线程修改结果："+reference.compareAndSet(integer, 66, marked, !marked));
23.             System.out.println("最终标志位："+reference.isMarked()+"，最终结果:"+reference.getReference());
24.         },"B").start();
25.     }
26. }

代码实战（对象的属性修改原子类）

以一种线程安全的方式操作非线程安全对象内的某些字段

AtomiclntegerFieldUpdater：原子更新对象中int类型字段的值，基于反射的实用程序，可对指定类的指定volatile int字段进行原子更新。

AtomicLongFieldUpdater：原子更新对象中Long类型字段的值，基于反射的实用程序，可以对指定类的指定volatile long字段进行原子更新。

AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型字段的值，基于反射的实用程序，可以对指定类的指定volatile引用字段进行原子更新。

使用要求：
更新的对象属性必须使用volatile修饰符。
因为对象的属性修改类型原子类都是抽象类，所以每次使用都必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。

AtomiclntegerFieldUpdater代码

1. public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
2. 
3. public static void main(String[] args) {
4. int size = 50;
5. CountDownLatch latch = new CountDownLatch(size);
6. Dog dog = new Dog();
7. for (int i = 0; i < 50; i++) {
8. new Thread(() -> {
9. try {
10. for (int j = 0; j < 10000; j++) {
11.                         dog.add();
12.                     }
13.                 } finally {
14.                     latch.countDown();
15.                 }
16.             }, String.valueOf(i)).start();
17.         }
18. try {
19.             latch.await(1, TimeUnit.SECONDS);
20.         } catch (InterruptedException e) {
21.             e.printStackTrace();
22.         }
23. if (latch.getCount() > 0) {
24.             System.out.println("============执行超时============");
25. return;
26.         }
27.         System.out.println(dog.age);
28.     }
29. 
30. static class Dog {
31. private volatile int age;
32. private String name;
33. 
34.         AtomicIntegerFieldUpdater<Dog> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Dog.class, "age");
35. 
36. public void add() {
37.             updater.getAndIncrement(this);
38.         }
39.     }
40. }

AtomicReferenceFieldUpdater代码

1. public class AtomicReferenceFieldUpdaterTest {
2. public static void main(String[] args) {
3. Fish fish = new Fish();
4. for (int i = 0; i < 5; i++) {
5. new Thread(() -> {
6.                 fish.init();
7.             }).start();
8.         }
9.     }
10. 
11. static class Fish {
12. volatile Boolean isLive = Boolean.FALSE;
13.         AtomicReferenceFieldUpdater<Fish, Boolean> updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Fish.class, Boolean.class, "isLive");
14. 
15. public void init() {
16. if (updater.compareAndSet(this, Boolean.FALSE, Boolean.TRUE)) {
17.                 System.out.println("初始化的线程：" + Thread.currentThread().getName());
18.             } else {
19.                 System.out.println("==========已被其他线程初始化=============");
20.             }
21.         }
22.     }
23. }

原子操作增强类（LongAdder LongAccumulator）

LongAdder只能用来计算加减法，且从零开始计算
LongAccumulator提供了自定义的函数操作

1. public class LongAdderTest {
2. public static void main(String[] args) {
3. LongAdder longAdder = new LongAdder();
4.         longAdder.add(3L);
5.         longAdder.add(5L);
6.         longAdder.increment();
7.         System.out.println(longAdder.sum());
8.         longAdder.decrement();
9.         System.out.println(longAdder.sum());
10. 
11. LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator((x,y)->x+y,0);
12.         longAccumulator.accumulate(6);
13.         longAccumulator.accumulate(2);
14.         System.out.println(longAccumulator.get());
15.     }
16. }

性能比较代码

1. public class LogKpiCountTest {
2. public static void main(String[] args) {
3. LogKpiCount count = new LogKpiCount();
4. int size = 100;
5. CountDownLatch latch1 = new CountDownLatch(size);
6. CountDownLatch latch2 = new CountDownLatch(size);
7. CountDownLatch latch3 = new CountDownLatch(size);
8. CountDownLatch latch4 = new CountDownLatch(size);
9.         Long startTime=null;
10.         startTime=System.currentTimeMillis();
11. for (int i=0;i<size;i++){
12. new Thread(()->{
13. try {
14. for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
15.                         count.synchronizedAdd();
16.                     }
17.                 }finally {
18.                     latch1.countDown();
19.                 }
20. 
21.             }).start();
22.         }
23. try {
24.             latch1.await();
25.         } catch (InterruptedException e) {
26.             e.printStackTrace();
27.         }
28.         System.out.println("synchronizedAdd执行耗时："+(System.currentTimeMillis()-startTime)+",执行结果:"+count.num);
29. 
30.         startTime=System.currentTimeMillis();
31. for (int i=0;i<size;i++){
32. new Thread(()->{
33. try {
34. for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
35.                         count.atomicIntegerAdd();
36.                     }
37.                 }finally {
38.                     latch2.countDown();
39.                 }
40. 
41.             }).start();
42.         }
43. try {
44.             latch2.await();
45.         } catch (InterruptedException e) {
46.             e.printStackTrace();
47.         }
48.         System.out.println("atomicIntegerAdd执行耗时："+(System.currentTimeMillis()-startTime)+",执行结果:"+count.atomicInteger.get());
49. 
50.         startTime=System.currentTimeMillis();
51. for (int i=0;i<size;i++){
52. new Thread(()->{
53. try {
54. for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
55.                         count.longAdderAdd();
56.                     }
57.                 }finally {
58.                     latch3.countDown();
59.                 }
60. 
61.             }).start();
62.         }
63. try {
64.             latch3.await();
65.         } catch (InterruptedException e) {
66.             e.printStackTrace();
67.         }
68.         System.out.println("longAdderAdd执行耗时："+(System.currentTimeMillis()-startTime)+",执行结果:"+count.longAdder.sum());
69. 
70.         startTime=System.currentTimeMillis();
71. for (int i=0;i<size;i++){
72. new Thread(()->{
73. try {
74. for (int j = 0; j < 1000000; j++) {
75.                         count.longAccumulatorAdd();
76.                     }
77.                 }finally {
78.                     latch4.countDown();
79.                 }
80. 
81.             }).start();
82.         }
83. try {
84.             latch4.await();
85.         } catch (InterruptedException e) {
86.             e.printStackTrace();
87.         }
88.         System.out.println("longAccumulatorAdd执行耗时："+(System.currentTimeMillis()-startTime)+",执行结果:"+count.accumulator.get());
89.     }
90. 
91. static class LogKpiCount{
92. int num;
93. AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
94. LongAdder longAdder = new LongAdder();
95. LongAccumulator accumulator = new LongAccumulator((x,y)->x+y,0);
96. public synchronized void synchronizedAdd(){
97.             num++;
98.         }
99. 
100. public void atomicIntegerAdd(){
101.             atomicInteger.getAndIncrement();
102.         }
103. 
104. public void longAdderAdd(){
105.             longAdder.increment();
106.         }
107. 
108. public void longAccumulatorAdd(){
109.             accumulator.accumulate(1);
110.         }
111.     }
112. }

synchronizedAdd执行耗时：3585,执行结果:100000000
atomicIntegerAdd执行耗时：1567,执行结果:100000000
longAdderAdd执行耗时：629,执行结果:100000000
longAccumulatorAdd执行耗时：132,执行结果:100000000

执行结果如下，发现synchronized与其他三个存在数量级上的差异，AtomicInteger与其他两个存在数量级上的差异。

LongAdder为什么这么快

LongAdder的基本思路就是分散热点，将value值分散到一个Cell数组中，不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的那个值进行CAS操作，这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多。如果要获取真正的long值，只要将各个槽中的变量值累加返回。

sum()会将所有Cell数组中的value和base累加作为返回值，核心的思想就是将之前AtomicLong一个value的更新压力分散到多个value中去，从而降级更新热点。

原子操作类解读

原子操作类概述

代码实战（AtomicInteger）

代码实战（数组类型原子类）

代码实战（引用类型原子类）

代码实战（对象的属性修改原子类）

原子操作增强类（LongAdder LongAccumulator）

性能比较代码

LongAdder为什么这么快

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