Java中的Atomic包使用指南

本文首发于并发网，作者：方腾飞

引言

Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令，但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样，也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。

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：

• int addAndGet(int delta) ：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果
• boolean compareAndSet(int expect, int update) ：如果输入的数值等于预期值，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。关于该方法的更多信息可以参考并发网翻译的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》
• int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

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：

public class AtomicReferenceTest {

	public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference</user><user>();

	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;
		}
	}
}

输出

Shinichi
17

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：

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;
		}
	}
}

输出

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11

参考资料

• JDK1.6源码
• JDK1.6API文档
• Unsafe源码