JAVA无锁编程--Atomic包的使用

• 简介

  Java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序员在多线程环境下，无锁的进行原子操作。原子变量的底层使用了处理器提供的原子指令，但是不同的CPU架构可能提供的原子指令不一样，也有可能需要某种形式的内部锁,所以该方法不能绝对保证线程不被阻塞。 
  在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，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字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

• 原子更新基本类型类

  用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类：

  • AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
  • AtomicInteger：原子更新整型。
  • AtomicLong：原子更新长整型。 
    AtomicInteger的常用方法如下: 
    1、 int addAndGet(int delta) ：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果 
    2、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。 
    3、int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意：这里返回的是自增前的值。 
    4、int getAndSet(int newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
 
public class AtomicIntegerTest {
 
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
 
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
    }
 
}

得到结果为：

1
2

• 原子更新数组类

  通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：
• 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。

AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下

• int addAndGet(int i, int delta)：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
• boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

public class AtomicIntegerArrayTest {
 
    static int[] value = new int[] { 1, 2 };
 
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
 
    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        System.out.println(ai.get(0));
                System.out.println(value[0]);
    }
 
}

得到结果：

3
1

• 原子更新引用类型

  原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子的更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下三个类：

• 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。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)

public class AtomicReferenceTest {
 
    public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new AtomicReference</user><user>();
 
    public static void main(String[] args) {
        User user = new User("conan", 15);
        atomicUserRef.set(user);
        User updateUser = new User("Shinichi", 17);
        atomicUserRef.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
        System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
    }
 
    static class User {
        private String name;
        private int old;
 
        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
 
        public String getName() {
            return name;
        }
 
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

得到结果：

Shinichi
17

• 原子更新字段类

  如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下三个类：

• 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。(后面专门说) 
  原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子代码如下：

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
 
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater
            .newUpdater(User.class, "old");
 
    public static void main(String[] args) {
        User conan = new User("conan", 10);
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
        System.out.println(a.get(conan));
    }
 
    public static class User {
        private String name;
        public volatile int old;
 
        public User(String name, int old) {
            this.name = name;
            this.old = old;
        }
 
        public String getName() {
            return name;
        }
 
        public int getOld() {
            return old;
        }
    }
}

得到结果：10 11

• ABA问题

  在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题： 
  线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B，在此之前，线程2将变量的值由A替换为C，又由C替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了，尽管CAS成功，但可能存在潜藏的问题，例如下面的例子： 
   
  现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A，这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B： 
   
  此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B，但实际上B.next为null，所以此时的情况变为： 
   
  其中堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，平白无故就把C、D丢掉了。 
  以上就是由于ABA问题带来的隐患，各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记，避免并发操作带来的问题，在Java中，AtomicStampedReference也实现了这个作用，它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题。（这里我本人也不是特别的理解它具体怎么实现的）