Atomic实现多线程下，无锁的进行原子操作

Java1.5的Atomic包名为java.util.concurrent.atomic。这个包提供了一系列原子类。这些类可以保证多线程环境下，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。Atomic类在软件层面上是非阻塞的，它的原子性其实是在硬件层面上借助相关的指令来保证的。

Atomic包核心

• Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类，核心操作是CAS原子操作；

关于CAS

• compare and swap，比较和替换技术，将预期值与当前变量的值比较(compare)，如果相等则使用新值替换(swap)当前变量，否则不作操作；
• 现代CPU已广泛支持CAS指令，如果不支持，那么JVM将使用自旋锁，与互斥锁一样，两者都需先获取锁才能访问共享资源，但互斥锁会导致线程进入睡眠，而自旋锁会一直循环等待直到获取锁；
• 另外，有一点需要注意的是CAS操作中的ABA问题，即将预期值与当前变量的值比较的时候，即使相等也不能保证变量没有被修改过，因为变量可能由A变成B再变回A,解决该问题，可以给变量增加一个版本号，每次修改变量时版本号自增，比较的时候，同时比较变量的值和版本号即可；

CAS线程安全

• 可它为什么是线程安全的呢？这就是Atomic包下这些类的奥秘：语言层面不做处理，我们将其交给硬件—CPU和内存，利用CPU的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上volatile变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。所以说，CAS并不是无阻塞，只是阻塞并非在语言、线程方面，而是在硬件层面，所以无疑这样的操作会更快更高效！
• 虽然基于CAS的线程安全机制很好很高效，但要说的是，并非所有线程安全都可以用这样的方法来实现，这只适合一些粒度比较小，型如计数器这样的需求用起来才有效，否则也不会有锁的存在了。

Atomic包介绍

       在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，分别是原子更新基本类型，原子更新数组，原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

原子更新基本类型类

用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类：

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

AtomicInteger的常用方法如下：

• get()             直接返回值
• getAndAdd(int)    增加指定的数据，返回变化前的数据
• getAndDecrement() 减少1，返回减少前的数据
• getAndIncrement() 增加1，返回增加前的数据
• getAndSet(int)    设置指定的数据，返回设置前的数据
• addAndGet(int)    增加指定的数据后返回增加后的数据
• decrementAndGet() 减少1，返回减少后的值
• incrementAndGet() 增加1，返回增加后的值
• lazySet(int)      仅仅当get时才会set
• compareAndSet(int, int) 尝试新增后对比，若增加成功则返回true否则返回false

AtomicInteger例子代码如下：

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());
  }
}

输出

1
2

餐后甜点

       Atomic包提供了三种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char，float和double等。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢？Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的，让我们一起看下Unsafe的源码，发现Unsafe只提供了三种CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现其是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新double也可以用类似的思路来实现。

原子更新数组类

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：

• 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。

AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下

• 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)：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

实例代码如下：

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]);
  }
}

输出

3
1

       AtomicIntegerArray类需要注意的是，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，不会影响到传入的数组。

原子更新引用类型

       原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子的更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下三个类：

• 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。可以原子的更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)

AtomicReference的使用例子代码如下：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class AtomicReferenceTest {
    public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("FLY", 25);
        atomicUserRef.set(user);
        System.out.println("【set后】："+user);
        User updateUser = new User("琦彦", 23);
        atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println("【compareAndSet后】："+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;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", old=" + old +
                    '}';
        }
    }
}

输出

【set后】：User{name='FLY', old=25}
【compareAndSet后】：User{name='琦彦', old=23}
琦彦
23

原子更新字段类

如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：

• 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。

原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子代码如下：

package service;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(User.class, "old");
    public static void main(String[] args) {
        User fly = new User("FLY", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(fly));
        System.out.println(a.get(fly));
    }
    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;
        }
        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", old=" + old +
                    '}';
        }
    }
}

输出

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11

参考来源：https://www.cnblogs.com/chenpi/p/5375805.html

参考来源：http://ifeve.com/java-atomic/