Java原子操作类，知多少？

2018-08-25 本文已影响8人 Jackeyzhe

前文我们介绍了Java并发编程中的两个关键字：volatile和synchronized。我们也知道了volatile虽然是轻量级，但不能保证原子性，synchronized可以保证原子性，但是比较重量级。

那么有没有一种简单的、性能高的方法来保证Java的原子操作呢？答案当然是有的，本文就为大家揭秘一些在JDK1.5时期加入Java家族的成员——Atomic包。Atomic包下包含了12个类，分为4种类型：

原子更新基本类型
原子更新数组
原子更新引用
原子更新字段

下面我来为大家一一引荐。

原子基本类型

原子基本类型，从名称上就可以看出，是为基本类型提供原子操作的类。它们是以下3位：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

这三位属于近亲，提供的方法基本一模一样（AtomicBoolean支持方法略少）。

image

这里我们以AtomicInteger为例介绍这些方法。

void lazySet(int newValue)：使用此方法后最终会被设置成newValue。是线程不安全的。官方解释如下：

As probably the last little JSR166 follow-up for Mustang, we added a "lazySet" method to the Atomic classes (AtomicInteger, AtomicReference, etc). This is a niche method that is sometimes useful when fine-tuning code using non-blocking data structures. The semantics are that the write is guaranteed not to be re-ordered with any previous write, but may be reordered with subsequent operations (or equivalently, might not be visible to other threads) until some other volatile write or synchronizing action occurs).

The main use case is for nulling out fields of nodes in non-blocking data structures solely for the sake of avoiding long-term garbage retention; it applies when it is harmless if other threads see non-null values for a while, but you'd like to ensure that structures are eventually GCable. In such cases, you can get better performance by avoiding the costs of the null volatile-write. There are a few other use cases along these lines for non-reference-based atomics as well, so the method is supported across all of the AtomicX classes.

For people who like to think of these operations in terms of machine-level barriers on common multiprocessors, lazySet provides a preceeding store-store barrier (which is either a no-op or very cheap on current platforms), but no store-load barrier (which is usually the expensive part of a volatile-write).

这里解释道：此方法不可与之前的写操作进行重排序，可以与之后的写操作进行重排序，知道出现volatile写或synchronizing操作。好处是比普通的set方法性能要好，前提是可以忍受其他线程在一段时间内读到的是旧数据。
int getAndSet(int newValue)：以原子方式更新，并且返回旧值。
boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果输入的值等于expect的值，则以原子方式更新。
int getAndIncrement()：以原子方式自增，返回的是自增前的值。
int getAndDecrement()：与getAndIncrement相反，返回的是自减前的值。
int getAndAdd(int delta)：以原子方式，将当前值与输入值相加，返回的是计算前的值。
int incrementAndGet()：以原子方式自增，返回自增后的值。
int decrementAndGet()：以原子方式自减，返回自减后的值。
int addAndGet(int delta)：以原子方式，将当前值与输入值相加，返回的是计算后的值。
int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)：Java1.8新增方法，以原子方式，按照指定方法更新当前数值，返回更新前的值，需要注意的是，提供的方法应该无副作用（side-effect-free），即两次执行结果相同，原因是如果由于线程争用导致更新失败会尝试再次执行该方法。
int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)：同样是Java1.8新增方法，与getAndUpdate唯一不同的是返回值是更新后的值。
int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：与上述两个方法类似，操作数由参数x提供。返回更新前的值。
int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：与getAndAccumulate方法作用相同，返回更新后的值。

方法介绍完了，AtomicInteger是怎么实现原子操作的呢？一起来看一下getAndIncrement方法的源码。

/**

Atomically increments by one the current value.
@return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

继续看Unsafe方法里的getAndIncrement方法

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;
}

其中getIntVolatile方法是一个本地方法，根据对象以及偏移量获取对应的值。然后执行compareAndSwapInt方法，该方法根据对象和偏移量获取当当前值，与希望的值var5比较，如果相等，则将值更新为var5+var4。否则，进入循环。如果想要了解UnSafe类的其他方法，可以阅读源码或者参考这篇文章 Java中Unsafe类详解。

原子数组

下面的类是为数组中某个元素的更新提供原子操作的类。

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

这三个类中的方法也都是类似的：

image

我们对AtomicIntegerArray中的方法进行介绍。

AtomicIntegerArray(int length)：构造函数，新建一个数组，传入AtomicIntegerArray。
AtomicIntegerArray(int[] array)：构造函数，将array克隆一份，传入AtomicIntegerArray，因此，修改AtomicIntegerArray中的元素时不会影响原数组。
int length()：获取数组长度。
int get(int i)：获取位置i的元素。
void set(int i, int newValue)：设置对应位置的值。
void lazySet(int i, int newValue)：类似AtomicInteger中的lazySet。
int getAndSet(int i, int newValue)：更新对应位置的值，返回更新前的值。
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：比较对应位置的值与期望值，如果相等，则更新，返回true。如果不能返回false。
int getAndIncrement(int i)：对位置i的元素以原子方式自增，返回更新前的值。
int getAndDecrement(int i)：对位置i的元素以原子方式自减，返回更新前的值。
int getAndAdd(int i, int delta)：对位置i的元素以原子方式计算，返回更新前的值。
int incrementAndGet(int i)、int decrementAndGet(int i)、addAndGet(int i, int delta)：这三个方法与上面三个方法操作相同，区别是这三个方法返回的是更新后的值。

下面四个方法都是1.8才加入的，根据提供的参数中的方法对位置i的元素进行操作。区别是返回值不同以及是否提供操作数。

int getAndUpdate(int i, IntUnaryOperator updateFunction)
int updateAndGet(int i, IntUnaryOperator updateFunction)
int getAndAccumulate(int i, int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)
int accumulateAndGet(int i, int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)

原子数组类型同样也是调用Unsafe类的方法，因此原理与基本类型的原理相同，这里不做赘述。

原子引用类型

前面讲到的类型都只能以原子的方式更新一个变量，有没有办法以原子方式更新多个变量呢？我们可以利用了面向对象的封装思想，可以把多个变量封装成一个类，再以原子的方式更新一个类对象。幸运的是，Atomic为我们提供了更新引用类型的方法。一起来认识一下他们吧。

AtomicReference
AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicMarkableReference

同样的，先来看一下这三个类提供的方法有哪些。

image

方法的作用与AtomicInteger中的方法类似，不做过多介绍。

/**

Atomically sets the value to the given updated value
if the current value {@code ==} the expected value.
@param expect the expected value
@param update the new value
@return {@code true} if successful. False return indicates that
the actual value was not equal to the expected value.
*/
public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}

这是compareAndSet方法的源码，同样是调用UnSafe类的CAS方法，因此，原子操作的原理也和基本类型相同。