JDK 原子操作类详解（AtomicInteger、AtomicIntegerArray等）

当程序更新一个变量时，如果多线程同时更新这个变量，可能得到期望之外的值，比如变量i=1，A线程更新i+1，B线程也更新i+1，经过两个线程操作之后可能i不等于3，而是等于2。因为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1，这就是线程不安全的更新操作，通常我们会使用synchronized来解决这个问题，synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。

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1. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
2.   
3. public class UnSafeAdd {  
4.     private static int threadCount=10;  
5.     private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);  
6.     private static int count=0;  
7.     private static class Counter implements Runnable{   
8.         @Override  
9.         public void run() {  
10.             for(int i=0;i<1000;i++){  
11.                 count++;//非原子操作  
12.             }   
13.             countDown.countDown();  
14.         }   
15.     }  
16.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
17.         Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
18.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
19.             threads[i]=new Thread(new Counter());  
20.         }  
21.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
22.             threads[i].start();;  
23.         }  
24.         countDown.await();  
25.         System.out.println(count);  
26.     }  

输出：

8968

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1. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
2.   
3.   
4. public class SafeAddWithSyn {  
5.     private static int threadCount=10;  
6.     private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);  
7.     private static int count=0;  
8.     synchronized private static void addCount(){//同步方法  
9.         count++;  
10.     }  
11.     private static class Counter implements Runnable{   
12.         @Override  
13.         public void run() {  
14.             for(int i=0;i<1000;i++){  
15.                 addCount();  
16.             }   
17.             countDown.countDown();  
18.         }   
19.     }  
20.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
21.         Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
22.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
23.             threads[i]=new Thread(new Counter());  
24.         }  
25.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
26.             threads[i].start();;  
27.         }  
28.         countDown.await();  
29.         System.out.println(count);  
30.     }  
31. }  

输出：

10000

而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下简称Atomic包），这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。因为变量的类型有很多种，所以在Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性（字段）。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

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1. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
2. import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;  
3.    
4. public class SafeAddWithAtomicInteger {  
5.     private static int threadCount=10;  
6.     private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);  
7.     private static AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);//原子操作类  
8.     private static class Counter implements Runnable{   
9.         @Override  
10.         public void run() {  
11.             for(int i=0;i<1000;i++){  
12.                 count.addAndGet(1);  
13.             }   
14.             countDown.countDown();  
15.         }   
16.     }  
17.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
18.         Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
19.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
20.             threads[i]=new Thread(new Counter());  
21.         }  
22.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
23.             threads[i].start();;  
24.         }  
25.         countDown.await();  
26.         System.out.println(count.get());  
27.     }  
28. }  

输出：

10000

原子更新基本类型

使用原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。
AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
AtomicInteger：原子更新整型。
AtomicLong：原子更新长整型。
以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解，AtomicInteger的源码如下：

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1. public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {  
2.     private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;  
3.   
4.     // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates 使用Unsafe类的CAS操作实现更新  
5.     private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();  
6.     private static final long valueOffset;  
7.     ......  
8.     //volatile保证可见性  
9.     private volatile int value;  
10.     //构造器  
11.     public AtomicInteger(int initialValue) {  
12.         value = initialValue;  
13.     }  
14.     public AtomicInteger() {  
15.     }  
16.     ......  
17.   
18.     //CAS更新  
19.     public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
20.         return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
21.     }  
22.     ......  
23.     /*以下方法都使用循环CAS更新数据*/  
24. <pre name="code" class="java">    public final int getAndSet(int newValue) {//以原子方式设置新值  
25.         for (;;) {  
26.             int current = get();  
27.             if (compareAndSet(current, newValue))  
28.                 return current;  
29.         }  
30.     }  

 public final int getAndIncrement() {//以原子方式自增 for (;;) { int current = get(); int next = current + 1; if (compareAndSet(current, next)) return current; } } ......
//以原子方式将输入值与当前值相加并返回结果 public final int addAndGet(int delta) { for (;;) {//循环 int current = get(); int next = current + delta; if (compareAndSet(current, next))//CAS return next; } } ......}

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以3类
AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素。
AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素。
AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。

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1. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
2.   
3. public class AtomicIntegerArrayTest {  
4.     private static int threadCount=1000;  
5.     private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);  
6.     static int[] values=new int[10];  
7.     private static class Counter implements Runnable{   
8.         @Override  
9.         public void run() {   
10.              for(int i=0;i<100;i++){  
11.                  for(int j=0;j<10;j++){//所有元素+1  
12.                      values[j]++;  
13.                  }  
14.              }  
15.              countDown.countDown();  
16.         }   
17.     }   
18.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException{  
19.         Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
20.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
21.             threads[i]=new Thread(new Counter());  
22.         }  
23.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
24.             threads[i].start();;  
25.         }  
26.         countDown.await();  
27.         for(int i=0;i<10;i++){  
28.             System.out.print(values[i]+" ");  
29.         }  
30.     }  
31. }  

输出：

99997 99996 99997 99997 99996 99996 99996 99996 99996 99996 

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1. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
2. import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;  
3.   
4. public class AtomicIntegerArrayTest {  
5.     private static int threadCount=1000;  
6.     private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);  
7.     static int[] values=new int[10];  
8.     static AtomicIntegerArray ai=new AtomicIntegerArray(values);  
9.     private static class Counter implements Runnable{   
10.         @Override  
11.         public void run() {   
12.              for(int i=0;i<100;i++){  
13.                  for(int j=0;j<10;j++){//所有元素+1  
14.                      ai.getAndIncrement(j);   
15.                  }  
16.              }  
17.              countDown.countDown();  
18.         }   
19.     }   
20.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException{  
21.         Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
22.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
23.             threads[i]=new Thread(new Counter());  
24.         }  
25.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
26.             threads[i].start();;  
27.         }  
28.         countDown.await();  
29.         for(int i=0;i<10;i++){  
30.             System.out.print(ai.get(i)+" ");  
31.         }  
32.         System.out.println();  
33.         for(int i=0;i<10;i++){  
34.             System.out.print(values[i]+" ");  
35.         }  
36.     }  
37. }  

输出：

100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 100000 
0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 
需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

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1. //An {@code int} array in which elements may be updated atomically.  
2. public class AtomicIntegerArray implements java.io.Serializable {  
3.     ......  
4.     private final int[] array;//存储数据的int数组  
5.   
6.     ......  
7.     //构造器  
8.     public AtomicIntegerArray(int length) {  
9.         array = new int[length];  
10.     }  
11.     public AtomicIntegerArray(int[] array) {  
12.         // Visibility guaranteed by final field guarantees  
13.         this.array = array.clone();//这里会复制传入的int数组，因此不会改变原来的int数组  
14.     }  
15.   
16.     public final int length() {  
17.         return array.length;  
18.     }  
19.     ......  
20. }  

原子更新引用

原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。
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。

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1. import java.util.concurrent.CountDownLatch;  
2. import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;  
3.   
4. public class Test {   
5.     private static int threadCount=10;  
6.     private static CountDownLatch countDown=new CountDownLatch(threadCount);  
7.     public static AtomicReference<User> atomicUserRef = new AtomicReference<User>();  
8.     private static class ReferenceUpdater implements Runnable{   
9.         User user;  
10.         public ReferenceUpdater(User user){  
11.             this.user=user;  
12.         }  
13.         @Override  
14.         public void run() {  
15.             for(int i=0;i<1000;i++){   
16.                 User oldUser=atomicUserRef.get();   
17.                 atomicUserRef.compareAndSet(oldUser, user);  
18.                 Thread.yield();  
19.             }   
20.             countDown.countDown();  
21.         }   
22.     }  
23.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {  
24.         Thread[] threads=new Thread[threadCount];  
25.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
26.             threads[i]=new Thread(new ReferenceUpdater(new User("name"+i,i)));  
27.         }  
28.         for(int i=0;i<threadCount;i++){  
29.             threads[i].start();;  
30.         }  
31.         countDown.await();   
32.         System.out.println(atomicUserRef.get().getName());  
33.         System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());  
34.     }  
35.   
36.     static class User {  
37.         private String name;  
38.         private int old;  
39.   
40.         public User(String name, int old) {  
41.             this.name = name;  
42.             this.old = old;  
43.         }  
44.   
45.         public String getName() {  
46.             return name;  
47.         }  
48.   
49.         public int getOld() {  
50.             return old;  
51.         }  
52.     }  
53. }  

输出：

name1
1
每次输出结果都不确定，10种情况都有可能，但是name属性和age属性是匹配的。

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1. /**An object reference that may be updated atomically.*/  
2. public class AtomicReference<V>  implements java.io.Serializable {  
3. <pre name="code" class="java">    ......  

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();//用于CAS更新 ...... private volatile V value;//引用，volatile保证可见性 public AtomicReference(V initialValue) { value = initialValue; } public AtomicReference() { } //利用Unsafe类执行CAS操作 public final boolean compareAndSet(V expect, V update) { return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update); } ......
//循环CAS public final V getAndSet(V newValue) { while (true) { V x = get(); if (compareAndSet(x, newValue)) return x; } }
......}

原子更新字段

如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新。
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。
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。

要想原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

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1. import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;  
2.    
3. public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {   
4.     // 创建原子更新器,并设置需要更新的对象类和对象的属性  
5.     private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a =   
6.             AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "old");  
7.    
8.     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {    
9.         // 设置柯南的年龄是10岁  
10.         User conan = new User("conan", 10);  
11.         // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄  
12.         System.out.println(a.getAndIncrement(conan));  
13.         // 输出柯南现在的年龄  
14.         System.out.println(a.get(conan));  
15.     }  
16.   
17.     public static class User {  
18.         private String name;  
19.         public volatile int old;  
20.   
21.         public User(String name, int old) {  
22.             this.name = name;  
23.             this.old = old;  
24.         }  
25.   
26.         public String getName() {  
27.             return name;  
28.         }  
29.   
30.         public int getOld() {  
31.             return old;  
32.         }  
33.     }  
34. }  

输出：

10

11