Java中的Atomic包

Atomic包的作用

方便程序員在多線程環境下，無鎖的進行原子操作

Atomic包核心

Atomic包里的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類，核心操作是CAS原子操作；

關於CAS

compare and swap，比較和替換技術，將預期值與當前變量的值比較(compare)，如果相等則使用新值替換(swap)當前變量，否則不作操作；

現代CPU已廣泛支持CAS指令，如果不支持，那么JVM將使用自旋鎖，與互斥鎖一樣，兩者都需先獲取鎖才能訪問共享資源，但互斥鎖會導致線程進入睡眠，而自旋鎖會一直循環等待直到獲取鎖；

另外，有一點需要注意的是CAS操作中的ABA問題，即將預期值與當前變量的值比較的時候，即使相等也不能保證變量沒有被修改過，因為變量可能由A變成B再變回A,解決該問題，可以給變量增加一個版本號，每次修改變量時版本號自增，比較的時候，同時比較變量的值和版本號即可；

Atomic包主要提供四種原子更新方式

• 原子方式更新基本類型；
• 原子方式更新數組；
• 原子方式更新引用；
• 原子方式更新字段；

原子方式更新基本類型

以下三個類是以原子方式更新基本類型

• AtomicBoolean：原子更新布爾類型。
• AtomicInteger：原子更新整型。
• AtomicLong：原子更新長整型。

以AtomicInteger為例，

package concurrency;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerTest {

    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) {
        //相當於i++,返回的是舊值,看方法名就知道，先獲取再自增
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
        //先自增，再獲取
        System.out.println(ai.incrementAndGet());
        System.out.println(ai.get());
        //增加一個指定值，先add，再get
        System.out.println(ai.addAndGet(5));
        System.out.println(ai.get());
        //增加一個指定值,先get，再set
        System.out.println(ai.getAndSet(5));
        System.out.println(ai.get());
    }

}

注意：Atomic包提供了三種基本類型的原子更新，剩余的Java的基本類型還有char，float和double等，其更新方式可以參考AtomicBoolean的思路來現，AtomicBoolean是把boolean轉成整型再調用compareAndSwapInt進行CAS來實現的，類似的short和byte也可以轉成整形，float和double可以利用Float.floatToIntBits，Double.doubleToLongBits轉成整形和長整形進行相應處理；

原子方式更新數組

以下三個類是以原子方式更新數組，

• AtomicIntegerArray：原子更新整型數組里的元素。
• AtomicLongArray：原子更新長整型數組里的元素。
• AtomicReferenceArray：原子更新引用類型數組里的元素。

以AtomicIntegerArray為例，其方法與AtomicInteger很像，多了個數組下標索引；

package concurrency;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

public class AtomicIntegerArrayTest {

    static int[] valueArr = new int[] { 1, 2 };

    //AtomicIntegerArray內部會拷貝一份數組
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(valueArr);

    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        //不會修改原始數組value
        System.out.println(ai.get(0));
        System.out.println(valueArr[0]);
    }

}

原子方式更新引用

以下三個類是以原子方式更新引用，與其它不同的是，更新引用可以更新多個變量，而不是一個變量；

• AtomicReference：原子更新引用類型。
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型里的字段。
• AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用類型。

以AtomicReference為例，

package concurrency;

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("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;
        }
    }
}

原子方式更新字段

以下三個類是以原子方式更新字段，

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型字段的更新器。
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型字段的更新器。
• AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用類型，用於解決使用CAS進行原子更新時，可能出現的ABA問題。

以AtomicIntegerFieldUpdater為例，

package concurrency;

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 conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        System.out.println(a.get(conan));
    }

    public static class User {
        private String name;
        //注意需要用volatile修飾
        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;
        }
    }
}

參考資料

http://ifeve.com/java-atomic/

《JAVA並發編程實戰》