Java 原子操作類詳解（AtomicInteger、AtomicIntegerArray等）
阿新 • • 發佈：2018-12-30
當程式更新一個變數時，如果多執行緒同時更新這個變數，可能得到期望之外的值，比如變數i=1，A執行緒更新i+1，B執行緒也更新i+1，經過兩個執行緒操作之後可能i不等於3，而是等於2。因為A和B執行緒在更新變數i的時候拿到的i都是1，這就是執行緒不安全的更新操作，通常我們會使用synchronized來解決這個問題，synchronized會保證多執行緒不會同時更新變數i。
輸出：import java.util.concurrent.CountDownLatch; public class UnSafeAdd { private static int threadCount=10; private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount); private static int count=0; private static class Counter implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i=0;i<1000;i++){ count++;//非原子操作 } countDown.countDown(); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread[] threads=new Thread[threadCount]; for(int i=0;i<threadCount;i++){ threads[i]=new Thread(new Counter()); } for(int i=0;i<threadCount;i++){ threads[i].start();; } countDown.await(); System.out.println(count); }
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輸出：import java.util.concurrent.CountDownLatch; public class SafeAddWithSyn { private static int threadCount=10; private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount); private static int count=0; synchronized private static void addCount(){//同步方法 count++; } private static class Counter implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i=0;i<1000;i++){ addCount(); } countDown.countDown(); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread[] threads=new Thread[threadCount]; for(int i=0;i<threadCount;i++){ threads[i]=new Thread(new Counter()); } for(int i=0;i<threadCount;i++){ threads[i].start();; } countDown.await(); System.out.println(count); } }
10000
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、效能高效、執行緒安全地更新一個變數的方式。因為變數的型別有很多種，所以在Atomic包裡一共提供了13個類，屬於4種類型的原子更新方式，分別是原子更新基本型別、原子更新陣列、原子更新引用和原子更新屬性（欄位）。Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。
輸出：import java.util.concurrent.CountDownLatch; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class SafeAddWithAtomicInteger { private static int threadCount=10; private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount); private static AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);//原子操作類 private static class Counter implements Runnable{ @Override public void run() { for(int i=0;i<1000;i++){ count.addAndGet(1); } countDown.countDown(); } } public static void main(String[] args) throws InterruptedException { Thread[] threads=new Thread[threadCount]; for(int i=0;i<threadCount;i++){ threads[i]=new Thread(new Counter()); } for(int i=0;i<threadCount;i++){ threads[i].start();; } countDown.await(); System.out.println(count.get()); } }
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原子更新基本型別
使用原子的方式更新基本型別，Atomic包提供了以下3個類。
AtomicBoolean：原子更新布林型別。
AtomicInteger：原子更新整型。
AtomicLong：原子更新長整型。
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的原始碼如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates 使用Unsafe類的CAS操作實現更新
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
......
//volatile保證可見性
private volatile int value;
//構造器
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
}
......
//CAS更新
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
......
/*以下方法都使用迴圈CAS更新資料*/
<pre name="code" class="java"> public final int getAndSet(int newValue) {//以原子方式設定新值
for (;;) {
int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
}//以原子方式將輸入值與當前值相加並返回結果 public final int addAndGet(int delta) { for (;;) {//迴圈 int current = get(); int next = current + delta; if (compareAndSet(current, next))//CAS return next; } } ......}
原子更新陣列
通過原子的方式更新數組裡的某個元素，Atomic包提供了以3類
AtomicIntegerArray：原子更新整型數組裡的元素。
AtomicLongArray：原子更新長整型數組裡的元素。
AtomicReferenceArray：原子更新引用型別數組裡的元素。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
public class AtomicIntegerArrayTest {
private static int threadCount=1000;
private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);
static int[] values=new int[10];
private static class Counter implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<100;i++){
for(int j=0;j<10;j++){//所有元素+1
values[j]++;
}
}
countDown.countDown();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
Thread[] threads=new Thread[threadCount];
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i]=new Thread(new Counter());
}
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i].start();;
}
countDown.await();
for(int i=0;i<10;i++){
System.out.print(values[i]+" ");
}
}
}99997 99996 99997 99997 99996 99996 99996 99996 99996 99996
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
public class AtomicIntegerArrayTest {
private static int threadCount=1000;
private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);
static int[] values=new int[10];
static AtomicIntegerArray ai=new AtomicIntegerArray(values);
private static class Counter implements Runnable{
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<100;i++){
for(int j=0;j<10;j++){//所有元素+1
ai.getAndIncrement(j);
}
}
countDown.countDown();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
Thread[] threads=new Thread[threadCount];
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i]=new Thread(new Counter());
}
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i].start();;
}
countDown.await();
for(int i=0;i<10;i++){
System.out.print(ai.get(i)+" ");
}
System.out.println();
for(int i=0;i<10;i++){
System.out.print(values[i]+" ");
}
}
}100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0
需要注意的是，陣列value通過構造方法傳遞進去，然後AtomicIntegerArray會將當前陣列複製一份，所以當AtomicIntegerArray對內部的陣列元素進行修改時，不會影響傳入的陣列。
//An {@code int} array in which elements may be updated atomically.
public class AtomicIntegerArray implements java.io.Serializable {
......
private final int[] array;//儲存資料的int陣列
......
//構造器
public AtomicIntegerArray(int length) {
array = new int[length];
}
public AtomicIntegerArray(int[] array) {
// Visibility guaranteed by final field guarantees
this.array = array.clone();//這裡會複製傳入的int陣列，因此不會改變原來的int陣列
}
public final int length() {
return array.length;
}
......
}原子更新引用
原子更新基本型別的AtomicInteger，只能更新一個變數，如果要原子更新多個變數，就需要使用這個原子更新引用型別提供的類。Atomic包提供了以下3個類。
AtomicReference：原子更新引用型別。
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用型別裡的欄位。
AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用型別。
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class Test {
private static int threadCount=10;
private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);
public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();
private static class ReferenceUpdater implements Runnable{
User user;
public ReferenceUpdater(User user){
this.user=user;
}
@Override
public void run() {
for(int i=0;i<1000;i++){
User oldUser=atomicUserRef.get();
atomicUserRef.compareAndSet(oldUser, user);
Thread.yield();
}
countDown.countDown();
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread[] threads=new Thread[threadCount];
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i]=new Thread(new ReferenceUpdater(new User("name"+i,i)));
}
for(int i=0;i<threadCount;i++){
threads[i].start();;
}
countDown.await();
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;
}
}
}輸出：
name1
1
每次輸出結果都不確定，10種情況都有可能，但是name屬性和age屬性是匹配的。
/**An object reference that may be updated atomically.*/
public class AtomicReference<V> implements java.io.Serializable {
<pre name="code" class="java"> ......
//迴圈CAS public final V getAndSet(V newValue) { while (true) { V x = get(); if (compareAndSet(x, newValue)) return x; } }
......}
原子更新欄位
如果需原子地更新某個類裡的某個欄位時，就需要使用原子更新欄位類，Atomic包提供了以下3個類進行原子欄位更新。
AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的欄位的更新器。
AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型欄位的更新器。
AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用型別。該類將整數值與引用關聯起來，可用於原子的更新資料和資料的版本號，可以解決使用CAS進行原子更新時可能出現的ABA問題。
要想原子地更新欄位類需要兩步。第一步，因為原子更新欄位類都是抽象類，每次使用的時候必須使用靜態方法newUpdater()建立一個更新器，並且需要設定想要更新的類和屬性。第二步，更新類的欄位（屬性）必須使用public volatile修飾符。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
// 建立原子更新器,並設定需要更新的物件類和物件的屬性
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a =
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// 設定柯南的年齡是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;
}
}
}10
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內容源自：
《Java併發程式設計的藝術》