【Java原理系列】 AtomicInteger原理用法源码详解

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#java #开发语言

于 2023-09-10 00:13:14 首次发布

本文详细解释了JavaAtomicInteger的基本原理，包括其基于CAS操作的实现，注意事项，以及提供的一系列原子操作方法。文章还探讨了AtomicInteger在多线程场景中的应用，如计数器、并发任务处理和共享变量同步。

Java AtomicInteger原理用法源码详解

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Java AtomicInteger原理用法源码详解

基本原理

Java 中的 AtomicInteger 是一个原子类，用于实现对整数类型的原子操作。它提供了一系列方法，如 get()、set()、incrementAndGet()、compareAndSet() 等，可以在多线程环境下安全地进行原子操作。通过使用 AtomicInteger，可以避免使用显式的锁来保护共享整数变量，从而提高并发性能。它适用于许多并发场景，如计数器、标记位等。

AtomicInteger 的原理基于 CAS（Compare-And-Swap）操作。它内部使用了 Unsafe 类或者其他底层的原子操作机制来实现线程安全的操作。通过 CAS 操作，AtomicInteger 可以保证在多线程环境下对整数值的修改是原子性的，避免了竞态条件和数据不一致等问题。

AtomicInteger 的主要特点和原理如下：

内部使用 volatile 修饰的 int 变量：AtomicInteger 内部有一个被 volatile 修饰的 int 变量，用于存储整数值。volatile 关键字确保了变量的可见性，使得对该变量的读写操作具有原子性。
使用 CAS 操作进行原子更新：AtomicInteger 中的原子操作方法都是基于 CAS 操作实现的。CAS 操作包括比较内存中的值与预期值是否相等，如果相等则更新为新值，否则操作失败。CAS 操作利用底层硬件提供的原子指令，确保操作的原子性。
循环重试：由于 CAS 操作可能在多线程环境下失败，因此 AtomicInteger 在实现中使用了循环重试的机制。如果 CAS 操作失败，它会不断尝试进行 CAS 操作，直到成功为止。

注意事项

AtomicInteger 并不能完全替代 Integer 类，因为它并没有提供自动装箱和拆箱的功能。
虽然 AtomicInteger 提供了原子操作，但仍然需要根据具体情况考虑原子类的使用范围和正确性。有时候，可能需要额外的同步手段来保证一些复合操作的原子性。

假设需要对一个计数器进行原子递增和条件检查，以决定是否执行某个操作。以下是一个示例代码：

if (counter.incrementAndGet() >= threshold) {
// 执行操作
}


尽管递增操作和条件检查各自都是原子的，但由于两个操作之间存在竞态条件，可能会导致结果不一致。因为在判断条件后，其他线程可能已经对计数器进行了修改。在这种情况下，可以使用额外的同步手段，如锁（`synchronized`）或者显示的使用 `Lock` 接口，来保证多个操作的原子性，可以确保递增操作、条件检查和操作的执行之间是原子的，避免了竞态条件。

```java
synchronized (lock) {
  if (counter.incrementAndGet() >= threshold) {
      // 执行操作
  }
}

基本方法

以下是对 AtomicInteger 类中提供的方法进行总结：

AtomicInteger(int initialValue)：使用给定的初始值创建一个新的 AtomicInteger 对象。
AtomicInteger()：创建一个新的 AtomicInteger 对象，并将初始值设为 0。
int get()：获取当前存储的整数值。
void set(int newValue)：设置整数值为指定的新值。
void lazySet(int newValue)：最终将整数值设置为指定的新值。不保证立即生效，可能会延迟。
int getAndSet(int newValue)：将整数值设置为指定的新值，并返回先前的值。
boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则原子地将整数值设置为指定的新值，并返回操作是否成功。
boolean weakCompareAndSet(int expect, int update)：与 compareAndSet() 方法类似，但不提供强有力的保证和排序保证。
int getAndIncrement()：先返回当前值，然后将整数值增加 1。
int getAndDecrement()：先返回当前值，然后将整数值减少 1。
int getAndAdd(int delta)：先返回当前值，然后将整数值增加指定的增量。
int incrementAndGet()：将整数值增加 1，然后返回更新后的值。
int decrementAndGet()：将整数值减少 1，然后返回更新后的值。
int addAndGet(int delta)：将整数值增加指定的增量，然后返回更新后的值。
int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)：先获取当前值，然后将整数值更新为通过应用给定函数得到的新值，返回先前的值。
int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)：先获取当前值，然后将整数值更新为通过应用给定函数得到的新值，返回更新后的值。
int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：先获取当前值，然后将整数值与给定值通过应用给定函数进行累积计算，返回先前的值。
int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：先获取当前值，然后将整数值与给定值通过应用给定函数进行累积计算，返回更新后的值。
String toString()：以字符串形式返回当前存储的整数值。
int intValue()：将当前存储的整数值转换为 int 类型并返回。
long longValue()：将当前存储的整数值转换为 long 类型并返回。
float floatValue()：将当前存储的整数值转换为 float 类型并返回。
double doubleValue()：将当前存储的整数值转换为 double 类型并返回。

这些方法允许原子地对整数值进行各种操作，确保在多线程环境下的线程安全性。

场景示例

以下是几个适用场景和示例：

计数器（Counter）：AtomicInteger 可以用作计数器，在多线程环境下实现原子的自增、自减操作。例如，统计网站访问次数或任务完成数量等。

public class Counter {
   
   
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
   
   
        count.incrementAndGet();
    }

    public void decrement() {
   
   
        count.decrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
   
   
        return count.get();
    }
}

并发任务处理：在并发任务处理中，可以使用 AtomicInteger 来控制任务的执行顺序或限制同时执行的任务数量。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TaskProcessor {
   
   
    private static final int MAX_CONCURRENT_TASKS = 10;
    private AtomicInteger activeTasks = new AtomicInteger(0);

    public void processTask(Runnable task) {
   
   
        // 检查是否达到最大并发任务数
        while (activeTasks.get() >= MAX_CONCURRENT_TASKS) {
   
   
            // 等待其他任务完成后再继续执行