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Java中的Atomic包使用指南

引言

Java從JDK1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序員在多線程環境下，無鎖的進行原子操作。原子變量的底層使用了處理器提供的原子指令，但是不同的CPU架構可能提供的原子指令不一樣，也有可能需要某種形式的內部鎖,所以該方法不能絕對保證線程不被阻塞。

Atomic包介紹

在Atomic包裏一共有12個類，四種原子更新方式，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字段。Atomic包裏的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。

原子更新基本類型類

用於通過原子的方式更新基本類型，Atomic包提供了以下三個類：

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

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裏的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：這裏返回的是自增前的值。
  • void lazySet(int newValue)：最終會設置成newValue，使用lazySet設置值後，可能導致其他線程在之後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例子代碼如下：

01 import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
02  
03 public class AtomicIntegerTest {
04  
05     static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
06  
07     public static void main(String[] args) {
08         System.out.println(ai.getAndIncrement());
09         System.out.println(ai.get());
10     }
11  
12 }

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餐後甜點

Atomic包提供了三種基本類型的原子更新，但是Java的基本類型裏還有char，float和double等。那麼問題來了，如何原子的更新其他的基本類型呢？Atomic包裏的類基本都是使用Unsafe實現的，讓我們一起看下Unsafe的源碼，發現Unsafe隻提供了三種CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源碼，發現其是先把Boolean轉換成整型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，所以原子更新double也可以用類似的思路來實現。

原子更新數組類

通過原子的方式更新數組裏的某個元素，Atomic包提供了以下三個類：

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

AtomicIntegerArray類主要是提供原子的方式更新數組裏的整型，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。

實例代碼如下：

01 public class AtomicIntegerArrayTest {
02  
03     static int[] value = new int[] { 1, 2 };
04  
05     static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
06  
07     public static void main(String[] args) {
08         ai.getAndSet(0, 3);
09         System.out.println(ai.get(0));
10                 System.out.println(value[0]);
11     }
12  
13 }

輸出

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AtomicIntegerArray類需要注意的是，數組value通過構造方法傳遞進去，然後AtomicIntegerArray會將當前數組複製一份，所以當AtomicIntegerArray對內部的數組元素進行修改時，不會影響到傳入的數組。

原子更新引用類型

原子更新基本類型的AtomicInteger，隻能更新一個變量，如果要原子的更新多個變量，就需要使用這個原子更新引用類型提供的類。Atomic包提供了以下三個類：

  • AtomicReference：原子更新引用類型。
  • AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型裏的字段。
  • AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用類型。可以原子的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)

AtomicReference的使用例子代碼如下：

01 public class AtomicReferenceTest {
02  
03     public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference</user><user>();
04  
05     public static void main(String[] args) {
06         User user = new User("conan", 15);
07         atomicUserRef.set(user);
08         User updateUser = new User("Shinichi", 17);
09         atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
10         System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
11         System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
12     }
13  
14     static class User {
15         private String name;
16         private int old;
17  
18         public User(String name, int old) {
19             this.name = name;
20             this.old = old;
21         }
22  
23         public String getName() {
24             return name;
25         }
26  
27         public int getOld() {
28             return old;
29         }
30     }
31 }

輸出

Shinichi
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原子更新字段類

如果我們隻需要某個類裏的某個字段，那麼就需要使用原子更新字段類，Atomic包提供了以下三個類：

  • 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。

原子更新字段類都是抽象類，每次使用都時候必須使用靜態方法newUpdater創建一個更新器。原子更新類的字段的必須使用public volatile修飾符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子代碼如下：

01 public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
02  
03     private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
04             .newUpdater(User.class, "old");
05  
06     public static void main(String[] args) {
07         User conan = new User("conan", 10);
08         System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
09         System.out.println(a.get(conan));
10     }
11  
12     public static class User {
13         private String name;
14         public volatile int old;
15  
16         public User(String name, int old) {
17             this.name = name;
18             this.old = old;
19         }
20  
21         public String getName() {
22             return name;
23         }
24  
25         public int getOld() {
26             return old;
27         }
28     }
29 }

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參考資料

最後更新：2017-05-23 14:35:44

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