Java中12个原子(Atomic)操作类实现原理分析

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原创最新推荐文章于 2026-10-17 11:24:55 发布 1.6k 阅读 AI 写同款· GEO 优化 ›

Java之美[从菜鸟到高手演练]之atomic包的原理及分析 Atomic包是java.util.concurrent下的另一个专门为线程安全设计的Java包，包含多个原子操作类。这个包里面提供了一组原子变量类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的，不会阻塞线程(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。阅读详情

前言

我们知道i++操作实际上是线程不安全的，因为一个i++操作分为了三步：

1、获取的i的值
2、执行i+1
3、将i+1的结果赋值给i

而这三步不是一个原子操作，多线程环境下就会出现线程不安全性问题。

Java从JDK 1.5开始,在
java.util.concurrent.atomic包下提供了12个对应的原子类操作，让我们可以直接使用原子操作类来实现一个原子的i++操作。

Java中一共提供了12个原子类操作，可以分为四种类型，分别是：

原子更新基本类型
原子更新数组
原子更新引用
原子更新属性

下面就让我们一起来看看这四大类中的12个原子操作类：

原子更新基本类型

原子更新基本数据类型有以下三个：

AtomicInteger：原子更新整型。
AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
AtomicLong：原子更新长整型。

AtomicInteger

常用方法如下：

int addAndGet(int delta)：
以原子方式将传入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的 value）相加，并返回结果。
boolean compareAndSet(int expect，int update)：
如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值，成功返回true，替换失败则返回false
int getAndIncrement()：
以原子方式将当前值自增1，并返回自增前的值。
int getAndDecrement()：
以原子方式将当前值自减1，并返回自减前的值。
void lazySet(int newValue)：
最终会设置成 newValue，注意这个方法是一个lazy方法，也就是说设置之后，并不会马上去将值更新到主内存，那么其他线程在一小段时间内可能看不到设置的值。
int getAndSet(int newValue)：
以原子方式将值设置为newValue，并返回旧值。

代码示例

package com.zwx.concurrent.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TestAtomicBasicData {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(8);
        System.out.println("初始化:" + atomicInteger);//8
        atomicInteger.compareAndSet(8,10);
        System.out.println("CAS后:" + atomicInteger);//10
        System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());//自增1，返回自增前的值10
        System.out.println("自增后：" + atomicInteger);//11
        System.out.println(atomicInteger.getAndDecrement());//11
        System.out.println("自减后：" + atomicInteger);//10
    }
}

AtomicBoolean

更新boolean值，常用方法如下：

boolean compareAndSet(boolean expect，boolean update)：
如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值，成功返回true，替换失败则返回false。注意这里面实际上会先将boolean值转换为int类型，0-否 1-是
void lazySet(boolan newValue)：
最终会设置成 newValue，注意这个方法是一个lazy方法，也就是说设置之后，并不会马上去将值更新到主内存，那么其他线程在一小段时间内可能看不到设置的值。
boolean getAndSet(boolean newValue)：
以原子方式将值设置为newValue，并返回旧值。

AtomicLong

这个和上面的AtomicInteger几乎是一样的，就不在举例了。
原子操作都是利用Unsafe类中的CAS操作实现的，但是Unsafe中只提供了三种类型的CAS操作：

所以上面的boolean类型是转换为整型来CAS的，其他数据类型也可以先进行数据转换之后再通过CAS实现原子操作。

原子更新数组

原子操作更新数组也提供了三种类型：

AtomicIntegerArray：原子更Integer类型数组里的元素。
AtomicLongArray：原子更新Long类型数组里的元素。
AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。

AtomicIntegerArray

 int[] arr = new int[]{1,2,3};
 AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(arr);

可以看到初始化之后将数组复制了一份，所以不会如果把值改变了，不会影响原有数组的值。

boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：可以看到这个方法对比基本类型多了一个i，也就是index下标，其他方法也是一样和基本类型数组相比，多了一个index参数。

代码示例

package com.zwx.concurrent.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;

public class TestAtomicArray {
    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[]{1,2,3};
        AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(arr);
        atomicIntegerArray.compareAndSet(1,2,8);
        System.out.println(arr[1]);//原数组的值没被改变，还是2
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(1));//atomicIntegerArray值被改变成8
    }
}

AtomicLongArray

和基本类型AtomicLong相比，方法都一样，也是多了一个index数组下标参数。

AtomicReferenceArray

这个方法也是一样，唯一的区别是可以传入一个泛型，也就是说数据中的元素时自定义的对象，而不是引用对象。

代码示例:

package com.zwx.concurrent.atomic;

import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceArray;

public class TestAtomicReferenceArray {
    public static void main(String[] args) {
        Man man = new Man(18,"张三");
        Man[] arr = new Man[]{man};
        AtomicReferenceArray<Man> atomicReferenceArray = new AtomicReferenceArray<>(arr);
        System.out.println("CAS前：" + JSONObject.toJSONString(atomicReferenceArray.get(0)));//{"age":18,"name":"张三"}

        Man updateMan = new Man(28,"李四");
        atomicReferenceArray.compareAndSet(0,man,updateMan);
        System.out.println("CAS前：" + JSONObject.toJSONString(atomicReferenceArray.get(0)));//{"age":28,"name":"李四"}
    }
}

class Man{
    protected volatile Integer age;
    private String name;

    public Man(Integer age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

原子更新引用类型

原子更新基本类型时每次只能更新一个变量，如果我们需要原子更新多个变量，怎么做呢？这时候我们可以把多个变量和合成一个，那么就需要使用这个原子更新引用类型提供的类来更新了。

原子更新引用类型也提供了3个类：

AtomicReference：原子更新引用类型。
AtomicMarkableReference：原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。
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，可用于原子的更新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。

AtomicReference

需要先构造一个引用对象然后调用AtomicReference中的相关原子方法，我们先来看一段代码示例：

代码示例

package com.zwx.concurrent.atomic;

import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class TestAtomicReference {
    public static void main(String[] args) {
        User oldUser = new User(18,"张三");
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>(oldUser);
        System.out.println("CAS前：" + JSONObject.toJSONString(atomicReference.get()));//{"age":18,"name":"张三"}

        User upateUser = new User(28,"李四");
        boolean result =atomicReference.compareAndSet(oldUser,upateUser);
        System.out.println("CAS结果为：" + result);//true
        System.out.println("CAS后：" + JSONObject.toJSONString(atomicReference.get()));//{"age":28,"name":"李四"}
    }
}

class User{
    volatile Integer age;
    private String name;

    public User(Integer age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

这里的原理也是一样，通过Uasafe的CAS操作Object对象实现原子操作：

AtomicMarkableReference

这个和上面AtomicReference基本一致，唯一的区别是多了一个mark标记，boolean类型。

示例

package com.zwx.concurrent.atomic;

import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference;

public class TestAtomicReferenceMark {
    public static void main(String[] args) {
        Person person = new Person(18,"张三");
        AtomicMarkableReference atomicMarkableReference = new AtomicMarkableReference(person,false);
        System.out.println("是否被标记过：" + atomicMarkableReference.isMarked());

        System.out.println("CAS前：" + JSONObject.toJSONString(atomicMarkableReference.getReference()));//{"age":18,"name":"张三"}

        Person updatePerson = new Person(28,"李四");
        /**
         * arg1：表示预期的引用对象
         * arg2：表示即将更新的引用对象
         * arg3：表示预期的标记
         * arg4：表示更新的标记
         * 需要参数1和参数3都是预期值才会CAS成功
         */
        atomicMarkableReference.compareAndSet(person,updatePerson,false,true);
        System.out.println("CAS后：" + JSONObject.toJSONString(atomicMarkableReference.getReference()));//{"age":28,"name":"李四"}
    }
}

class Person{
    private Integer age;
    private String name;

    public Person(Integer age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

AtomicMarkableReference原理分析

初始化对象的时候需要初始化一个引用对象和一个初始mark，而这两个属性又是通过其静态内部类Pair来管理的：

AtomicStampedReference

这个和AtomicMarkableReference几乎一模一样，唯一的区别就是AtomicMarkableReference中的标记只有true和false,而AtomicStampedReference中的标记是一个int类型，可以视作版本号，可以解决CAS的ABA问题。

原子更新属性

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器。
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的任意指定字段。

AtomicIntegerFieldUpdater

这个是用来更新引用对象中的int类型的属性，利用反射修改属性。有以下几点需要注意：

引用类型中的属性必须是int，不能是包装类Integer
引用类型中的属性必须被volatile修饰
引用类型中的属性不能被private修饰

代码示例

package com.zwx.concurrent.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class TestAtomicReferenceField {
    public static void main(String[] args) {
        //AtomicIntegerFieldUpdater
        Women women = new Women(18,"张三");
        //arg1：引用的对象类型 arg2：要修改的对象中的属性名
        AtomicIntegerFieldUpdater atomicIntegerFieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Women.class,"age");
        atomicIntegerFieldUpdater.compareAndSet(women,18,28);
        System.out.println("CAS后的值：" + women.getAge());//28
    }
}

class Women{
    volatile int age;
    private String name;

    public Women(int age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

newUpdater方法：

AtomicIntegerFieldUpdaterImpl中初始化中就是利用反射获取属性修改属性，并进行了一些验证：

AtomicLongFieldUpdater

这个和上面AtomicLongFieldUpdater基本一样，用来更新long类型的属性，同样有以下几点需要注意：

引用类型中的属性必须是long，不能是包装类Long
引用类型中的属性必须被volatile修饰
引用类型中的属性不能被private修饰

AtomicReferenceFieldUpdater

上面两个都是只能更新指定数据类型，而这个可以更新任意指定类型的属性。也有以下几个注意点：

引用类型中的属性不能是原始数据类型，必须用对应包装类(这点和上面的两种相反)
引用类型中的属性必须被volatile修饰
引用类型中的属性不能被private修饰

示例

package com.zwx.concurrent.atomic;

import com.alibaba.fastjson.JSONObject;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReferenceFieldUpdater;

public class TestAtomicReferenceField {
    public static void main(String[] args) {
        /**
         * arg1:传入引用对象类型
         * arg2：传入引用对象的属性类型
         * arg3：传入要修改的属性名
         */
        AtomicReferenceFieldUpdater atomicReferenceFieldUpdater1 = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Women.class,Integer.class,"age");
        AtomicReferenceFieldUpdater atomicReferenceFieldUpdater2 = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Women.class,String.class,"name");

        Women women = new Women(18,"张三");
        atomicReferenceFieldUpdater1.compareAndSet(women,18,28);
        atomicReferenceFieldUpdater2.compareAndSet(women,"张三","李四");
        System.out.println(JSONObject.toJSONString(women));//{"age":28,"name":"李四"}
    }
}

class Women{
    volatile Integer age;
    volatile String name;

    public Women(int age, String name) {
        this.age = age;
        this.name = name;
    }

    public Integer getAge() {
        return age;
    }

    public void setAge(Integer age) {
        this.age = age;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }

    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
}

CAS操作ABA问题

前面在讲述AQS同步队列的文章里提到了ABA问题可以通过引入一个版本号来和实际值拼在一起来避免ABA问题，那么实际上我们同样可以利用AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference来实现，不过如果用AtomicMarkableReference只有true和false两种标记，而对于AtomicStampedReference就更自由，实际可以根据业务需求进行选择。