轉載： 《ava並發編程的藝術》第7章
當程序更新一個變量時，如果多線程同時更新這個變量，可能得到期望之外的值，比如變量i=1，A線程更新i+1，B線程也更新i+1，經過兩個線程操作之后可能i不等於3，而是等於2。因為A和B線程在更新變量i的時候拿到的i都是1，這就是線程不安全的更新操作，通常我們會使用synchronized來解決這個問題，synchronized會保證多線程不會同時更新變量i。
而Java從JDK 1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下簡稱Atomic包），這個包中的原子操作類提供了一種用法簡單、性能高效、線程安全地更新一個變量的方式。
因為變量的類型有很多種，所以在Atomic包里也提供了很多類，大致可以屬於4種類型的原子更新方式，分別是原子更新基本類型、原子更新數組、原子更新引用和原子更新屬性（字段）。Atomic包里的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。
原子更新基本類型
使用原子的方式更新基本類型，Atomic包提供了以下3個類。
- AtomicBoolean:原子更新布爾類型。
- AtomicInteger：原子更新整型。
- AtomicLong：原子更新Long類型。
以上3個類提供的方法幾乎一模一樣，所以本節僅以AtomicInteger為例進行講解，AtomicInteger的常用方法如下：
- int addAndGet(int delta)： 以原子方式將輸入的數值與實例中的值（AtomicInteger里的value）相加，並返回結果。
- boolean compareAndSet(int expect，int update)：如果輸入的數值等於預期值，則以原子方式將該值設置為輸入的值。
- int getAndIncrement()：以原子方式將當前值加1，注意，這里返回的是自增前的值。
- int getAndSet（int newValue）：以原子方式設置為newValue的值，並返回舊值。
- void lazySet（int newValue）：最終會設置成newValue，使用lazySet設置值后，可能導致其他線程在之后的一小段時間內還是可以讀到舊的值。關於該方法的更多信息可以參考並發編程網翻譯的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》。
- int getAndSet（int newValue）：以原子方式設置為newValue的值，並返回舊值
AtomicInteger示例：
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
那么getAndIncrement是如何實現原子操作的呢？讓我們一起分析其實現原理，getAndIncrement的源碼如下：
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
首先我們看getAndIncrement方法，它只是對unsafe類的簡單包裝，具體邏輯都在unsafe里。再看getAndAddInt方法，該方法首先通過this.getIntVolatile(var1, var2); 獲取var1指向的內存地址里var2的值，這里也就是獲取舊的值；然后通過CAS的方式更新值為var5+var4，更新失敗進入自循。
Atomic包提供了3種基本類型的原子更新，但是Java的基本類型里還有char、float和double等。那么問題來了，如何原子的更新其他的基本類型呢？Atomic包里的類基本都是使用Unsafe實現的，讓我們一起看一下Unsafe的源碼。
/**
* 如果當前數值是expected，則原子的將Java變量更新成x
* @return 如果更新成功則返回true
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o,long offset , Object expected , Object x );
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o , long offset , int expected, int x );
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o , long offset , long expected ,long x );
通過代碼，我們發現Unsafe只提供了3種CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源碼，發現它是先把Boolean轉換成整
型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，所以原子更新char、float和double變量也可以用類似
的思路來實現。
// AtomicBoolean
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);
}
// AtomicDouble
public final boolean compareAndSet(double expect, double update) {
return updater.compareAndSet(this,Double.doubleToRawLongBits(expect),Double.doubleToRawLongBits(update));
}
原子更新數組
通過原子的方式更新數組里的某個元素，Atomic包提供了一下4個類：
- 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。
上述幾個類提供的方法幾乎一樣，我們以AtomicIntegerArray類為例講解，其常用方法如下：
- int addAndGet(int i , int delta)：以原子方式將輸入值與數組中索引i的元素相加。
- boolean compareAndSet(int i , int expect , int update)：如果當前值等於預期值，則以原子方式將數組位置i的元素設置成update值。
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]);
}
輸出接結果：
3
1
需要注意的是，數組value通過構造方法傳遞進去，然后AtomicIntergerArray會將當前數組復制一份，所以當AtomicIntergerArray對內部的數組元素進行修改時，不會影響傳入的數組。
構造方法：
/**
* Creates a new AtomicIntegerArray with the same length as, and
* all elements copied from, the given array.
*
* @param array the array to copy elements from
* @throws NullPointerException if array is null
*/
public AtomicIntegerArray(int[] array) {
// Visibility guaranteed by final field guarantees
this.array = array.clone();
}
原子更新引用類型
原子更新基本類型的AtomicInterger，只能更新一個變量，如果要原子更新多個變量，就需要使用這個原子更新引用類型提供的類。Atomic包提供了以下3個類：
- 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。可以原子更新一個布爾類型的標記位和引用類型。構造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，boolean initialMark）。
以上幾個類提供的方法幾乎一樣，所以此處我們僅以AtomicReference為例進行講解，AtomicReference的使用示例代碼如下：
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;
}
}
// 運行結果
Shinichi
17
其實現原理是依靠了unsafe.compareAndSwapObject方法。
public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}
原子更新字段類
如果需原子地更新某個類里的某個字段時，就需要使用原子更新字段類，Atomic包提供了以下3個類進行原子字段更新。
- AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。
- 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。該類將整數值與引用關聯起來，可用於原子的更新數據和數據的版本號，可以解決使用CAS進行原子更新時可能出現的ABA問題。
要想原子地更新字段類需要兩步。第一步，因為原子更新字段類都是抽象類，每次使用的時候必須使用靜態方法newUpdater()創建一個更新器，並且需要設置想要更新的類和屬性。第二步，更新類的字段（屬性）必須使用public volatile修飾符。
以上3個類提供的方法幾乎一樣，此處僅以AstomicIntegerFieldUpdater為例進行講解，AstomicIntegerFieldUpdater的示例代碼如下：
// 創建原子更新器,並設置需要更新的對象類和對象的屬性
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.
newUpdater(User.class, "old");
public static void main(String[] args) {
// 設置柯南的年齡是10歲
User conan = new User("conan", 10);
// 柯南長了一歲,但是仍然會輸出舊的年齡
System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
// 輸出柯南現在的年齡
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;
}
}
運行結果如下：
10
11