Java中的原子类-并发编程

1. 原子类是什么

原子类包装了一个变量，然后提供对这个变量的原子操作的方法。

注意：原子类中对变量的操作，都是原子操作。

2. 原子类有什么用

把变量的操作封装成原子操作，也就是保证了原子性。

多线程的三大特性：原子性、有序性、可见性，详情可了解（Java内存模型-工作内存、主内存、原子性、有序性、可见性、volatile、synchronized）

换句话说，当你的代码保证了有序性和可见性时，可以使用原子类来保证原子性，从而避免synchronized带来的高性能开销。

3. 有哪些原子类

JDK在1.5时提供了很多原子类，在java.util.concurrent.atomic包下

分为四类

1. 基本原子类
   1. 布尔型：AtomicBoolean
   2. 整型：AtomicInteger
   3. 长整形：AtomicLong

   布尔型与整形类似，通过操作0和1实现

2. 数组原子类
   1. 整型数组：AtomicIntegerArray
   2. 长整型数组：AtomicLongArray
   3. 引用型数组：AtomicReferenceArray
3. 引用原子类
   1. AtomicReference：原子更新引用类型。
   2. AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段。
   3. AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子的更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)
4. 字段原子类
   1. AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。
   2. AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
   3. AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子更新时，可能出现的ABA问题。

4. 怎么去使用

以AtomicInteger为例

用i++的例子介绍整型原子类的使用

public class AtomicTest {

    private static volatile int i;

    private static void increase() {
        i++;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread[] threads = new Thread[20];
        for (int k = 0; k < 20; k++) {
            threads[k] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    increase();
                }
            });
            threads[k].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            while (thread.isAlive()) {
                Thread.sleep(100);
            }
        }
        System.out.println(i);
    }
}

输出

74858

这个例子很简单，起20个线程，每个线程执行1万次i++操作，预期结果应该是20万，实际结果却是7万多。

原因是，虽然volatile保证了有序性和可见性，但是不能保证原子性，i++不是原子操作。

所以在这里，我们只需要保证i++操作是原子操作，就不用使用笨重的synchronized了

怎么保证呢？使用JDK提供的原子类AtomicInteger

public class AtomicTest {

//    private static volatile int i;
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    private static void increase() {
//        i++;
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Thread[] threads = new Thread[20];
        for (int k = 0; k < 20; k++) {
            threads[k] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    increase();
                }
            });
            threads[k].start();
        }

        for (Thread thread : threads) {
            while (thread.isAlive()) {
                Thread.sleep(100);
            }
        }
//        System.out.println(i);
        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}

输出

200000

预期结果与实际结果一致

5. 实现原理-CAS

CAS(Compare and swap)

底层调用native方法，也就是JVM通过CPU的指令实现

当前的处理器基本都支持CAS，只不过每个厂家所实现的算法并不一样罢了。

原理：

1. 需要读写的内存址（V）、原值（A）和新值(B)。如果V的值与原值A相匹配，那么把B设置给V，否则处理器不做任何操作。
2. 无论哪种情况，都返回V当前值。
3. 原子类里，当失败时，就一直循环，直到成功。

12是在CPU和内存的层面来说的，3是在Java层面说的

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;
}

6. 注意

1. 原子类并不是提供真正的原子操作，其方法在执行时，还是可能被其它线程打断的，只是它在被打断后（共享变量改变），会获取新的值重新操作，一直重复到成功。所以在外部看来，它就是一个原子操作。
2. CAS是非阻塞的。
3. CAS的ABA问题：当然CAS也并不完美，它存在"ABA"问题，假若一个变量初次读取是A，在compare阶段依然是A，但其实可能在此过程中，它先被改为B，再被改回A，而CAS是无法意识到这个问题的。CAS只关注了比较前后的值是否改变，而无法清楚在此过程中变量的变更明细，这就是所谓的ABA漏洞。