在并发编程中很容易出现并发安全问题，最简单的例子就是多线程更新变量i=1，多个线程执行i++操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。实际上，在J.U.C下的Atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新多种类型。Atomic包下的这些类都是采用乐观锁策略CAS来更新数据。

CAS原理与问题

CAS操作（又称为无锁操作）是一种乐观锁策略。它假设所有线程访问共享资源的时候不会出现冲突，因此不会阻塞其他线程的操作。那么，如果出现冲突了怎么办？无锁操作是使用CAS(compare and swap)来鉴别线程是否出现冲突，出现冲突就重试当前操作直到没有冲突为止。

CAS的操作过程

举例说明：

Atomic包中的AtomicInteger类，是通过Unsafe类下的native函数compareAndSwapInt自旋来保证原子性，

其中incrementAndGet函数调用的getAndAddInt函数如下所示：

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;

    }

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

可见只有自旋实现更新数据操作之后，while循环才能够结束。

CAS的问题

自旋时间过长。由compareAndSwapInt函数可知，自旋时间过长会对性能是很大的消耗。
ABA问题。因为CAS会检查旧值有没有变化，这里存在这样一个有意思的问题。比如一个旧值A变为了成B，然后再变成A，刚好在做CAS时检查发现旧值并没有变化依然为A，但是实际上的确发生了变化。解决方案可以添加一个版本号可以解决。原来的变化路径A->B->A就变成了1A->2B->3C，或使用AtomicStampedReference工具类。

Atomic包的使用

原子更新基本类型

Atomic包中原子更新基本类型的工具类：

AtomicBoolean：以原子更新的方式更新boolean；

AtomicInteger：以原子更新的方式更新Integer;

AtomicLong：以原子更新的方式更新Long；

这几个类的用法基本一致，这里以AtomicInteger为例总结常用的方法

addAndGet(int delta)：以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加，并返回最后的结果；
incrementAndGet() ：以原子的方式将实例中的原值进行加1操作，并返回最终相加后的结果；
getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
getAndIncrement()：以原子的方式将实例中的原值加1，返回的是自增前的旧值；

原理不再赘述，参考上文compareAndSwapInt函数。

AtomicInteger使用示例：

public class AtomicExample {

    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2);

    public static void main(String[] args) {

        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());

        System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());

        System.out.println(atomicInteger.get());

    }

}

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LongAdder

为了解决自旋导致的性能问题，JDK8在Atomic包中推出了LongAdder类。LongAdder采用的方法是，共享热点数据分离的计数：将一个数字的值拆分为一个数组。不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的那个值进行CAS操作，这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多；要得到这个数字的话，就要把这个值加起来。相比AtomicLong，并发量大大提高。

优点：有很高性能的并发写的能力

缺点：读取的性能不是很高效，而且如果读取的时候出现并发写的话，结果可能不是正确的

原子更新数组类型

Atomic包中提供能原子更新数组中元素的工具类：

AtomicIntegerArray：原子更新整型数组中的元素；

AtomicLongArray：原子更新长整型数组中的元素；

AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组中的元素

这几个类的用法一致，就以AtomicIntegerArray来总结下常用的方法：

addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加；
getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1；
compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为i的位置的元素进行更新

AtomicIntegerArray与AtomicInteger的方法基本一致，只不过在前者的方法中会多一个指定数组索引位i。

AtomicIntegerArray使用示例：

public class AtomicExample {

    private static int[] value = new int[]{1, 2, 3};

    private static AtomicIntegerArray integerArray = new AtomicIntegerArray(value);

    public static void main(String[] args) {

        //对数组中索引为2的位置的元素加3

        int result = integerArray.getAndAdd(2, 3);

        System.out.println(integerArray.get(2));

        System.out.println(result);

    }

}

// 6 3

原子更新引用类型

如果需要原子更新引用类型变量的话，为了保证线程安全，Atomic也提供了相关的类：

AtomicReference：原子更新引用类型；
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段；
AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型；

AtomicReference使用示例：

public class AtomicExample {

    private static AtomicReference<User> reference = new AtomicReference<>();

    public static void main(String[] args) {

        User user1 = new User("a", 1);

        reference.set(user1);

        User user2 = new User("b",2);

        User user = reference.getAndSet(user2);

        System.out.println(user);

        System.out.println(reference.get());

    }

    static class User {

        private String userName;

        private int age;

        public User(String userName, int age) {

            this.userName = userName;

            this.age = age;

        }

        @Override

        public String toString() {

            return "User{" +

                    "userName='" + userName + '\'' +

                    ", age=" + age +

                    '}';

        }

    }

}

// User{userName='a', age=1}

// User{userName='b', age=2}

AtomicReferenceFieldUpdater使用示例：

public class AtomicExample {

    public static void main(String[] args) {

        AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Dog.class, String.class, "name");

        Dog dog1 = new Dog();

        updater.compareAndSet(dog1, dog1.name, "cat");

        System.out.println(dog1.name);

    }

}

class Dog {

    volatile String name = "dog1";

}

原子更新字段类型

如果需要更新对象的某个字段，Atomic同样也提供了相应的原子操作类：

AtomicIntegeFieldUpdater：原子更新整型字段类；
AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段类；

要想使用原子更新字段需要两步操作：

原子更新字段类型类都是抽象类，只能通过静态方法newUpdater来创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性；

更新类的属性必须使用public volatile进行修饰；

AtomicIntegerFieldUpdater使用示例：

public class AtomicExample {

    private static AtomicIntegerFieldUpdater updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");

    public static void main(String[] args) {

        User user = new User("a", 1);

        System.out.println(updater.getAndAdd(user, 5));

        System.out.println(updater.addAndGet(user, 1));

        System.out.println(updater.get(user));

    }

    static class User {

        private String userName;

        public volatile int age;

        public User(String userName, int age) {

            this.userName = userName;

            this.age = age;

        }

        @Override

        public String toString() {

            return "User{" +

                    "userName='" + userName + '\'' +

                    ", age=" + age +

                    '}';

        }

    }

}

解决CAS的ABA问题

AtomicStampedReference：原子更新引用类型，这种更新方式会带有版本号，从而解决CAS的ABA问题

AtomicStampedReference使用示例：

public class AtomicExample {

    public static void main(String[] args) {

        Integer init1 = 1110;

//        Integer init2 = 126;

        AtomicStampedReference<Integer> reference = new AtomicStampedReference<>(init1, 1);

        int curent1 = reference.getReference();

//        Integer current2 = reference.getReference();

        reference.compareAndSet(reference.getReference(), reference.getReference() + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//正确写法

//        reference.compareAndSet(current2, current2+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//正确写法

//        reference.compareAndSet(1110, 1111, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//错误写法

//        reference.compareAndSet(curent1, curent1+1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);//错误写法

//        reference.compareAndSet(current2, current2 + 1, reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);

        System.out.println("reference.getReference() = " + reference.getReference());

    }

}

AtomicStampedReference踩过的坑

参考上面的代码，分享一个笔者遇到的一次坑。AtomicStampedReference的compareAndSet函数中，前两个参数是使用包装类的。所以当参数超过128时，而且传入参数并不是reference.getReference()获取的话，会导致expectedReference == current.reference为false，则无法进行更新。

public boolean compareAndSet(V   expectedReference,

                                 V   newReference,

                                 int expectedStamp,

                                 int newStamp) {

        Pair<V> current = pair;

        return

            expectedReference == current.reference &&

            expectedStamp == current.stamp &&

            ((newReference == current.reference &&

              newStamp == current.stamp) ||

             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));

    }

最后，限于笔者经验水平有限，欢迎读者就文中的观点提出宝贵的建议和意见。如果想获得更多的学习资源或者想和更多的是技术爱好者一起交流，可以关注我的公众号『全菜工程师小辉』后台回复关键词领取学习资料、进入前后端技术交流群和程序员副业群。同时也可以加入程序员副业群Q群：735764906 一起交流。

巴特西

Java多线程之原子操作类