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1. 原子操作類介紹

在并發(fā)編程中很容易出現(xiàn)并發(fā)安全的問題亡笑，有一個很簡單的例子就是多線程更新變量i=1,比如多個線程執(zhí)行i++操作，就有可能獲取不到正確的值，而這個問題靶瘸，最常用的方法是通過Synchronized進(jìn)行控制來達(dá)到線程安全的目的（關(guān)于synchronized可以看這篇文章）咬腋。但是由于synchronized是采用的是悲觀鎖策略吸申，并不是特別高效的一種解決方案两嘴。實(shí)際上，在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操作簡單届慈，性能高效徒溪，并能保證線程安全的類去更新基本類型變量忿偷，數(shù)組元素，引用類型以及更新對象中的字段類型臊泌。atomic包下的這些類都是采用的是樂觀鎖策略去原子更新數(shù)據(jù)鲤桥，在java中則是使用CAS操作具體實(shí)現(xiàn)。

2. 預(yù)備知識--CAS操作

能夠弄懂a(chǎn)tomic包下這些原子操作類的實(shí)現(xiàn)原理缺虐，就要先明白什么是CAS操作。

什么是CAS?

使用鎖時礁凡，線程獲取鎖是一種悲觀鎖策略高氮，即假設(shè)每一次執(zhí)行臨界區(qū)代碼都會產(chǎn)生沖突，所以當(dāng)前線程獲取到鎖的時候同時也會阻塞其他線程獲取該鎖顷牌。而CAS操作（又稱為無鎖操作）是一種樂觀鎖策略剪芍，它假設(shè)所有線程訪問共享資源的時候不會出現(xiàn)沖突，既然不會出現(xiàn)沖突自然而然就不會阻塞其他線程的操作窟蓝。因此罪裹，線程就不會出現(xiàn)阻塞停頓的狀態(tài)。那么运挫，如果出現(xiàn)沖突了怎么辦状共？無鎖操作是使用CAS(compare and swap)又叫做比較交換來鑒別線程是否出現(xiàn)沖突，出現(xiàn)沖突就重試當(dāng)前操作直到?jīng)]有沖突為止谁帕。

CAS的操作過程

CAS比較交換的過程可以通俗的理解為CAS(V,O,N)峡继，包含三個值分別為：V 內(nèi)存地址存放的實(shí)際值；O 預(yù)期的值（舊值）匈挖；N 更新的新值碾牌。當(dāng)V和O相同時，也就是說舊值和內(nèi)存中實(shí)際的值相同表明該值沒有被其他線程更改過儡循，即該舊值O就是目前來說最新的值了舶吗，自然而然可以將新值N賦值給V。反之择膝，V和O不相同誓琼，表明該值已經(jīng)被其他線程改過了則該舊值O不是最新版本的值了，所以不能將新值N賦給V肴捉，返回V即可踊赠。當(dāng)多個線程使用CAS操作一個變量是，只有一個線程會成功每庆，并成功更新筐带，其余會失敗。失敗的線程會重新嘗試缤灵，當(dāng)然也可以選擇掛起線程

CAS的實(shí)現(xiàn)需要硬件指令集的支撐伦籍，在JDK1.5后虛擬機(jī)才可以使用處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)蓝晒。

Synchronized VS CAS

元老級的Synchronized(未優(yōu)化前)最主要的問題是：在存在線程競爭的情況下會出現(xiàn)線程阻塞和喚醒鎖帶來的性能問題，因?yàn)檫@是一種互斥同步（阻塞同步）帖鸦。而CAS并不是武斷的間線程掛起斥滤，當(dāng)CAS操作失敗后會進(jìn)行一定的嘗試，而非進(jìn)行耗時的掛起喚醒的操作杆故，因此也叫做非阻塞同步舱沧。這是兩者主要的區(qū)別。

CAS的問題

1. ABA問題
   因?yàn)镃AS會檢查舊值有沒有變化攻锰，這里存在這樣一個有意思的問題晾嘶。比如一個舊值A(chǔ)變?yōu)榱顺葿，然后再變成A娶吞，剛好在做CAS時檢查發(fā)現(xiàn)舊值并沒有變化依然為A垒迂，但是實(shí)際上的確發(fā)生了變化。解決方案可以沿襲數(shù)據(jù)庫中常用的樂觀鎖方式妒蛇，添加一個版本號可以解決机断。原來的變化路徑A->B->A就變成了1A->2B->3C。

2. 自旋時間過長

使用CAS時非阻塞同步绣夺，也就是說不會將線程掛起吏奸，會自旋（無非就是一個死循環(huán)）進(jìn)行下一次嘗試，如果這里自旋時間過長對性能是很大的消耗陶耍。如果JVM能支持處理器提供的pause指令苦丁，那么在效率上會有一定的提升。

3. 原子更新基本類型

atomic包提高原子更新基本類型的工具類物臂，主要有這些：

1. AtomicBoolean：以原子更新的方式更新boolean旺拉；
2. AtomicInteger：以原子更新的方式更新Integer;
3. AtomicLong：以原子更新的方式更新Long；

這幾個類的用法基本一致棵磷，這里以AtomicInteger為例總結(jié)常用的方法

1. addAndGet(int delta) ：以原子方式將輸入的數(shù)值與實(shí)例中原本的值相加蛾狗，并返回最后的結(jié)果；
2. incrementAndGet() ：以原子的方式將實(shí)例中的原值進(jìn)行加1操作仪媒，并返回最終相加后的結(jié)果沉桌；
3. getAndSet(int newValue)：將實(shí)例中的值更新為新值，并返回舊值算吩；
4. getAndIncrement()：以原子的方式將實(shí)例中的原值加1留凭，返回的是自增前的舊值；

還有一些方法偎巢，可以查看API蔼夜，不再贅述。為了能夠弄懂AtomicInteger的實(shí)現(xiàn)原理压昼，以getAndIncrement方法為例求冷，來看下源碼：

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

可以看出瘤运，該方法實(shí)際上是調(diào)用了unsafe實(shí)例的getAndAddInt方法，unsafe實(shí)例的獲取時通過UnSafe類的靜態(tài)方法getUnsafe獲冉程狻：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

Unsafe類在sun.misc包下拯坟，Unsafer類提供了一些底層操作，atomic包下的原子操作類的也主要是通過Unsafe類提供的compareAndSwapInt韭山，compareAndSwapLong等一系列提供CAS操作的方法來進(jìn)行實(shí)現(xiàn)郁季。下面用一個簡單的例子來說明AtomicInteger的用法：

public class AtomicDemo {
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}
輸出結(jié)果：
1
2

例子很簡單，就是新建了一個atomicInteger對象钱磅，而atomicInteger的構(gòu)造方法也就是傳入一個基本類型數(shù)據(jù)即可梦裂，對其進(jìn)行了封裝。對基本變量的操作比如自增续搀，自減塞琼，相加菠净，更新等操作禁舷，atomicInteger也提供了相應(yīng)的方法進(jìn)行這些操作。但是毅往，因?yàn)閍tomicInteger借助了UnSafe提供的CAS操作能夠保證數(shù)據(jù)更新的時候是線程安全的牵咙，并且由于CAS是采用樂觀鎖策略，因此攀唯，這種數(shù)據(jù)更新的方法也具有高效性洁桌。

AtomicLong的實(shí)現(xiàn)原理和AtomicInteger一致，只不過一個針對的是long變量侯嘀，一個針對的是int變量另凌。而boolean變量的更新類AtomicBoolean類是怎樣實(shí)現(xiàn)更新的呢?核心方法是compareAndSett方法，其源碼如下：

public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
    int e = expect ? 1 : 0;
    int u = update ? 1 : 0;
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}

可以看出戒幔，compareAndSet方法的實(shí)際上也是先轉(zhuǎn)換成0,1的整型變量吠谢，然后是通過針對int型變量的原子更新方法compareAndSwapInt來實(shí)現(xiàn)的∈ィ可以看出atomic包中只提供了對boolean,int ,long這三種基本類型的原子更新的方法工坊，參考對boolean更新的方式，原子更新char,doule,float也可以采用類似的思路進(jìn)行實(shí)現(xiàn)敢订。

4. 原子更新數(shù)組類型

atomic包下提供能原子更新數(shù)組中元素的類有：

1. AtomicIntegerArray：原子更新整型數(shù)組中的元素王污；
2. AtomicLongArray：原子更新長整型數(shù)組中的元素；
3. AtomicReferenceArray：原子更新引用類型數(shù)組中的元素

這幾個類的用法一致楚午，就以AtomicIntegerArray來總結(jié)下常用的方法：

1. addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式將數(shù)組中索引為i的元素與輸入值相加昭齐；
2. getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式將數(shù)組中索引為i的元素自增加1；
3. compareAndSet(int i, int expect, int update)：將數(shù)組中索引為i的位置的元素進(jìn)行更新

可以看出矾柜，AtomicIntegerArray與AtomicInteger的方法基本一致司浪，只不過在AtomicIntegerArray的方法中會多一個指定數(shù)組索引位i泊业。下面舉一個簡單的例子：

public class AtomicDemo {
    //    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
    private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};
    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {
        //對數(shù)組中索引為1的位置的元素加5
        int result = integerArray.getAndAdd(1, 5);
        System.out.println(integerArray.get(1));
        System.out.println(result);
    }
}
輸出結(jié)果：
7
2

通過getAndAdd方法將位置為1的元素加5，從結(jié)果可以看出索引為1的元素變成了7啊易，該方法返回的也是相加之前的數(shù)為2吁伺。

5. 原子更新引用類型

如果需要原子更新引用類型變量的話，為了保證線程安全租谈，atomic也提供了相關(guān)的類：

1. AtomicReference：原子更新引用類型篮奄；
2. AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型里的字段；
3. AtomicMarkableReference：原子更新帶有標(biāo)記位的引用類型割去；

這幾個類的使用方法也是基本一樣的窟却，以AtomicReference為例，來說明這些類的基本用法呻逆。下面是一個demo

public class AtomicDemo {

    private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("a", 1);
        reference.set(user1);
        User user2 = new User("b",2);
        User user = reference.getAndSet(user2);
        System.out.println(user);
        System.out.println(reference.get());
    }

    static class User {
        private String userName;
        private int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
}

輸出結(jié)果：
User{userName='a', age=1}
User{userName='b', age=2}

首先將對象User1用AtomicReference進(jìn)行封裝夸赫，然后調(diào)用getAndSet方法，從結(jié)果可以看出咖城，該方法會原子更新引用的user對象茬腿，變?yōu)?code>User{userName='b', age=2}，返回的是原來的user對象User{userName='a', age=1}宜雀。

6. 原子更新字段類型

如果需要更新對象的某個字段切平，并在多線程的情況下，能夠保證線程安全辐董，atomic同樣也提供了相應(yīng)的原子操作類：

1. AtomicIntegeFieldUpdater：原子更新整型字段類悴品；
2. AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型字段類；
3. AtomicStampedReference：原子更新引用類型简烘，這種更新方式會帶有版本號苔严。而為什么在更新的時候會帶有版本號，是為了解決CAS的ABA問題孤澎；

要想使用原子更新字段需要兩步操作：

1. 原子更新字段類都是抽象類届氢，只能通過靜態(tài)方法newUpdater來創(chuàng)建一個更新器，并且需要設(shè)置想要更新的類和屬性亥至；
2. 更新類的屬性必須使用public volatile進(jìn)行修飾悼沈；

這幾個類提供的方法基本一致，以AtomicIntegerFieldUpdater為例來看看具體的使用：

public class AtomicDemo {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"age");
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("a", 1);
        int oldValue = updater.getAndAdd(user, 5);
        System.out.println(oldValue);
        System.out.println(updater.get(user));
    }

    static class User {
        private String userName;
        public volatile int age;

        public User(String userName, int age) {
            this.userName = userName;
            this.age = age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "User{" +
                    "userName='" + userName + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }
} 

輸出結(jié)果：
1
6

從示例中可以看出姐扮，創(chuàng)建AtomicIntegerFieldUpdater是通過它提供的靜態(tài)方法進(jìn)行創(chuàng)建絮供，getAndAdd方法會將指定的字段加上輸入的值，并且返回相加之前的值茶敏。user對象中age字段原值為1壤靶，加5之后，可以看出user對象中的age字段的值已經(jīng)變成了6惊搏。