Java併發程式設計系列之十九：原子操作類
原子操作類簡介
當更新一個變數的時候，多出現資料爭用的時候可能出現所意想不到的情況。這時的一般策略是使用synchronized解決，因為synchronized能夠保證多個執行緒不會同時更新該變數。然而，從jdk 5之後，提供了粒度更細、量級更輕，並且在多核處理器具有高效能的原子操作類。因為原子操作類把競爭的範圍縮小到單個變數上，這可以算是粒度最細的情況了。
原子操作類相當於泛化的volatile變數，能夠支援原子讀取-修改-寫操作。比如AtomicInteger表示一個int型別的數值，提供了get和set方法，這些volatile型別的變數在讀取與寫入上有著相同的記憶體語義。原子操作類共有13個類，在java.util.concurrent.atomic包下，可以分為四種類型的原子更新類：原子更新基本型別、原子更新陣列型別、原子更新引用和原子更新屬性。
下面將分別介紹這四種原子操作類。
原子更新基本型別
使用原子方式更新基本型別，共包括3個類：
- AtomicBoolean：原子更新布林變數
- AtomicInteger：原子更新整型變數
- AtomicLong：原子更新長整型變數
具體到每個類的原始碼中，提供的方法基本相同，這裡以AtomicInteger為例進行說明。AtomicInteger提供的部分方法如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
//返回當前的值
public final int get 為了說明AtomicInteger的原子性，這裡程式碼演示多執行緒對一個int值進行自增操作，最後輸出結果，程式碼如下：
package com.rhwayfun.concurrency.r0405;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
/**
* Created by rhwayfun on 16-4-5.
*/
public class AtomicIntegerDemo {
private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args){
for (int i = 0; i < 5; i++){
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
//呼叫AtomicInteger的getAndIncement返回的是增加之前的值
System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());
}
}).start();
}
System.out.println(atomicInteger.get());
}
}
輸出結果如下：
0
1
2
3
4
5
5
可以看到在多執行緒的情況下，得到的結果是正確的，但是如果僅僅使用int型別的成員變數則可能得到不同的結果。這裡的關鍵在於getAndIncrement是原子操作，那麼是如何保證的呢？
getAndIncrement方法的原始碼如下：
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;
}
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);到這裡可以發現最終呼叫了native方法來保證更新的原子性。
原子更新陣列
通過原子更新數組裡的某個元素，共有3個類：
- AtomicIntegerArray：原子更新整型陣列的某個元素
- AtomicLongArray：原子更新長整型陣列的某個元素
- AtomicReferenceArray：原子更新引用型別陣列的某個元素
AtomicIntegerArray常用的方法有：
- int addAndSet(int i, int delta)：以原子方式將輸入值與陣列中索引為i的元素相加
- boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：如果當前值等於預期值，則以原子方式更新陣列中索引為i的值為update值
示例程式碼如下：
package com.rhwayfun.concurrency.r0405;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
/**
* Created by rhwayfun on 16-4-5.
*/
public class AtomicIntegerArrayDemo {
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]);
}
}執行結果是:
3
1
陣列value通過構造的方式傳入AtomicIntegerArray中，實際上AtomicIntegerArray會將當前陣列拷貝一份，所以在陣列拷貝的操作不影響原陣列的值。
原子更新引用型別
需要更新引用型別往往涉及多個變數，早atomic包有三個類：
- 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。
下面以AtomicReference為例進行說明：
package com.rhwayfun.concurrency.r0405;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
/**
* Created by rhwayfun on 16-4-5.
*/
public class AtomicReferenceDemo {
static class User{
private String name;
private int id;
public User(String name, int id) {
this.name = name;
this.id = id;
}
public String getName() {
return name;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getId() {
return id;
}
public void setId(int id) {
this.id = id;
}
}
public static AtomicReference<User> ar = new AtomicReference<User>();
public static void main(String[] args){
User user = new User("aa",11);
ar.set(user);
User newUser = new User("bb",22);
ar.compareAndSet(user,newUser);
System.out.println(ar.get().getName());
System.out.println(ar.get().getId());
}
}
執行結果為：
bb
22
可以看到user被成功更新。
原子更新欄位類
如果需要原子更新某個類的某個欄位，就需要用到原子更新欄位類，可以使用以下幾個類：
- AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型欄位
- AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型欄位
- AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用型別。
要想原子更新欄位，需要兩個步驟：
- 每次必須使用newUpdater建立一個更新器，並且需要設定想要更新的類的欄位
- 更新類的欄位（屬性）必須為public volatile
下面的程式碼演示如何使用原子更新欄位類更新欄位：
package com.rhwayfun.concurrency.r0405;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;
/**
* Created by rhwayfun on 16-4-5.
*/
public class AtomicIntegerFieldUpdaterDemo {
//建立一個原子更新器
private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> atomicIntegerFieldUpdater =
AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class,"old");
public static void main(String[] args){
User user = new User("Tom",15);
//原來的年齡
System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.getAndIncrement(user));
//現在的年齡
System.out.println(atomicIntegerFieldUpdater.get(user));
}
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 void setName(String name) {
this.name = name;
}
public int getOld() {
return old;
}
public void setOld(int old) {
this.old = old;
}
}
}
輸出的結果如下：
15
16
至此，我們知道了如何使用原子操作類在不同場景下的基本用法。