一文吃透 Java 中的并發(fā)原子類！
一、簡介
在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底層鎖、并發(fā)同步等工具類以外，還提供了一組原子操作類，大多以Atomic開頭，他們位于java.util.concurrent.atomic包下。
所謂原子類操作，顧名思義，就是這個操作要么全部執(zhí)行成功，要么全部執(zhí)行失敗，是保證并發(fā)編程安全的重要一環(huán)。
相比通過synchronized和lock等方式實現(xiàn)的線程安全同步操作，原子類的實現(xiàn)機(jī)制則完全不同。它采用的是通過無鎖（lock-free）的方式來實現(xiàn)線程安全（thread-safe）訪問，底層原理主要基于CAS操作來實現(xiàn)。
某些業(yè)務(wù)場景下，通過原子類來操作，既可以實現(xiàn)線程安全的要求，又可以實現(xiàn)高效的并發(fā)性能，同時編程方面更加簡單。
下面我們一起來看看它的具體玩法！
二、常用原子操作類
在java.util.concurrent.atomic包中，因為原子類眾多，如果按照類型進(jìn)行劃分，可以分為五大類，每個類型下的原子類可以用如下圖來概括（不同 JDK 版本，可能略有不同，本文主要基于 JDK 1.8 進(jìn)行采樣）。
圖片
雖然原子操作類很多，但是大體的用法基本類似，只是針對不同的數(shù)據(jù)類型進(jìn)行了單獨(dú)適配，這些原子類都可以保證多線程下數(shù)據(jù)的安全性，使用起來也比較簡單。
2.1、基本類型
基本類型的原子類，也是最常用的原子操作類，JDK為開發(fā)者提供了三個基礎(chǔ)類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicBoolean：布爾類型的原子操作類
- AtomicInteger：整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicLong：長整數(shù)類型的原子操作類
以AtomicInteger為例，常用的操作方法如下：
方法 | 描述 |
| 獲取當(dāng)前值 |
| 設(shè)置 value 值 |
| 先取得舊值，然后加1，最后返回舊值 |
| 先取得舊值，然后減1，最后返回舊值 |
| 加1，然后返回新值 |
| 減1，然后返回新值 |
| 先取得舊值，然后增加指定值，最后返回舊值 |
| 增加指定值，然后返回新值 |
| 直接使用CAS方式，將【舊值】更新成【新值】，核心方法 |
AtomicInteger的使用方式非常簡單，使用示例如下：
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
// 先獲取值，再自增，默認(rèn)初始值為0
int v1 = atomicInteger.getAndIncrement();
System.out.println("v1：" + v1);
// 獲取自增后的ID值
int v2 = atomicInteger.incrementAndGet();
System.out.println("v2：" + v2);
// 獲取自減后的ID值
int v3 = atomicInteger.decrementAndGet();
System.out.println("v3：" + v3);
// 使用CAS方式，將就舊值更新成 10
boolean v4 = atomicInteger.compareAndSet(v3,10);
System.out.println("v4：" + v4);
// 獲取最新值
int v5 = atomicInteger.get();
System.out.println("v5：" + v5);輸出結(jié)果：
v1：0
v2：2
v3：1
v4：true
v5：10下面我們以對某個變量累加 10000 次為例，采用 10 個線程，每個線程累加 1000 次來實現(xiàn)，對比不同的實現(xiàn)方式執(zhí)行結(jié)果的區(qū)別（預(yù)期結(jié)果值為 10000）。
方式一：線程不安全操作實現(xiàn)
public class Demo1 {
/**
* 初始化一個變量
*/
private static volatile int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
a++;
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a);
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：9527從日志上可以很清晰的看到，實際結(jié)果值與預(yù)期不符，即使變量a加了volatile關(guān)鍵字，也無法保證累加結(jié)果的正確性。
針對volatile關(guān)鍵字，在之前的文章中我們有所介紹，它只能保證變量的可見性和程序的有序性，無法保證程序操作的原子性，導(dǎo)致運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期不符。
方式二：線程同步安全操作實現(xiàn)
public class Demo2 {
/**
* 初始化一個變量
*/
private static int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (Demo2.class){
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
a++;
}
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a);
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：10000當(dāng)多個線程操作同一個變量或者方法的時候，可以在方法上加synchronized關(guān)鍵字，可以同時實現(xiàn)變量的可見性、程序的有序性、操作的原子性，達(dá)到運(yùn)行結(jié)果與預(yù)期一致的效果。
同時也可以采用Lock鎖來實現(xiàn)多線程操作安全的效果，執(zhí)行結(jié)果也會與預(yù)期一致。
方式三：原子類操作實現(xiàn)
public class Demo3 {
/**
* 初始化一個原子操作類
*/
private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
// 采用原子性操作累加
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個線程執(zhí)行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結(jié)果值
System.out.println("結(jié)果值：" + a.get());
}
}輸出結(jié)果：
結(jié)果值：10000從日志結(jié)果上可見，原子操作類也可以實現(xiàn)在多線程環(huán)境下執(zhí)行結(jié)果與預(yù)期一致的效果，關(guān)于底層實現(xiàn)原理，我們等會在后文中進(jìn)行介紹。
與synchronized和Lock等實現(xiàn)方式相比，原子操作類因為采用無鎖的方式實現(xiàn)，因此某些場景下可以帶來更高的執(zhí)行效率。
2.2、對象引用類型
上文提到的基本類型的原子類，只能更新一個變量，如果需要原子性更新多個變量，這個時候可以采用對象引用類型的原子操作類，將多個變量封裝到一個對象中，JDK為開發(fā)者提供了三個對象引用類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicReference：對象引用類型的原子操作類
- AtomicStampedReference：帶有版本號的對象引用類型的原子操作類，可以解決 ABA 問題
- AtomicMarkableReference：帶有標(biāo)記的對象引用類型的原子操作類
以AtomicReference為例，構(gòu)造一個對象引用，具體用法如下：
public class User {
private String name;
private Integer age;
public User(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
// 設(shè)置原始值
User user1 = new User("張三", 20);
atomicReference.set(user1);
// 采用CAS方式，將user1更新成user2
User user2 = new User("李四", 21);
atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
System.out.println("更新后的對象：" + atomicReference.get().toString());輸出結(jié)果：
更新后的對象：User{name='李四', age=21}2.3、對象屬性類型
在某項場景下，可能你只想原子性更新對象中的某個屬性值，此時可以采用對象屬性類型的原子操作類，JDK為開發(fā)者提供了三個對象屬性類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicIntegerFieldUpdater：屬性為整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicLongFieldUpdater：屬性為長整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicReferenceFieldUpdater：屬性為對象類型的原子操作類
需要注意的是，這些原子操作類需要滿足以下條件才可以使用。
- 1.被操作的字段不能是 static 類型
- 2.被操縱的字段不能是 final 類型
- 3.被操作的字段必須是 volatile 修飾的
- 4.屬性必須對于當(dāng)前的 Updater 所在區(qū)域是可見的，簡單的說就是盡量使用public修飾字段
以AtomicIntegerFieldUpdater為例，構(gòu)造一個整數(shù)類型的屬性引用，具體用法如下：
public class User {
private String name;
/**
* age 字段加上 volatile 關(guān)鍵字，并且改成 public 修飾
*/
public volatile int age;
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
}User user = new User("張三", 20);
AtomicIntegerFieldUpdater<User> fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
// 將 age 的年齡原子性操作加 1
fieldUpdater.getAndIncrement(user);
System.out.println("更新后的屬性值：" + fieldUpdater.get(user));輸出結(jié)果：
更新后的屬性值：212.4、數(shù)組類型
數(shù)組類型的原子操作類，并不是指對數(shù)組本身的原子操作，而是對數(shù)組中的元素進(jìn)行原子性操作，這一點需要特別注意，如果要針對整個數(shù)組進(jìn)行更新，可以采用對象引入類型的原子操作類進(jìn)行處理。
JDK為開發(fā)者提供了三個數(shù)組類型的原子類，內(nèi)容如下：
- AtomicIntegerArray：數(shù)組為整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicLongArray：數(shù)組為長整數(shù)類型的原子操作類
- AtomicReferenceArray：數(shù)組為對象類型的原子操作類
以AtomicIntegerArray為例，具體用法如下：
int[] value = new int[]{0, 3, 5};
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(value);
// 將下標(biāo)為[0]的元素，原子性操作加 1
array.getAndIncrement(0);
System.out.println("下標(biāo)為[0]的元素，更新后的值：" + array.get(0));輸出結(jié)果：
下標(biāo)為[0]的元素，更新后的值：12.5、累加器類型
累加器類型的原子操作類，是從 jdk 1.8 開始加入的，專門用來執(zhí)行數(shù)值類型的數(shù)據(jù)累加操作，性能更好。
它的實現(xiàn)原理與基本數(shù)據(jù)類型的原子類略有不同，當(dāng)多線程競爭時采用分段累加的思路來實現(xiàn)目標(biāo)值，在多線程環(huán)境中，它比AtomicLong性能要高出不少，特別是寫多的場景。
JDK為開發(fā)者提供了四個累加器類型的原子類，內(nèi)容如下：
- LongAdder：長整數(shù)類型的原子累加操作類
- LongAccumulator：LongAdder的功能增強(qiáng)版，它支持自定義的函數(shù)操作
- DoubleAdder：浮點數(shù)類型的原子累加操作類
- DoubleAccumulator：同樣的，也是DoubleAdder的功能增強(qiáng)版，支持自定義的函數(shù)操作
以LongAdder為例，具體用法如下：
LongAdder adder = new LongAdder();
// 自增加 1，默認(rèn)初始值為0
adder.increment();
adder.increment();
adder.increment();
System.out.println("最新值：" + adder.longValue());輸出結(jié)果：
最新值：3三、小結(jié)
本文主要圍繞AtomicInteger的用法進(jìn)行一次知識總結(jié)，JUC包下的原子操作類非常的多，但是大體用法基本相似，只是針對不同的數(shù)據(jù)類型做了細(xì)分處理。
在實際業(yè)務(wù)開發(fā)中，原子操作類通常用于計數(shù)器，累加器等場景，比如編寫一個多線程安全的全局唯一 ID 生成器。
public class IdGenerator {
private static AtomicLong atomic = new AtomicLong(0);
public long getNextId() {
return atomic.incrementAndGet();
}
}
