【Java原理系列】 Java AtomicReference由来原理用法源码详解

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于 2023-09-26 13:12:35 首次发布

本文详细介绍了Java的AtomicReference类的由来、原理、机制以及常用方法，包括如何通过volatile和CAS操作实现原子更新，适用于多线程环境中的高效并发编程。

Java AtomicReference由来原理用法源码详解

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Java AtomicReference由来原理用法源码详解

AtomicReference类，它是一个可以原子更新的对象引用。 AtomicReference是Java并发包中的一部分，用于在多线程环境下进行原子操作。

由来

AtomicReference类的由来可以追溯到Java 5（JDK 1.5）版本。在引入并发编程包java.util.concurrent.atomic之前，Java提供了synchronized关键字和volatile关键字来实现线程安全和可见性。

然而，使用synchronized关键字需要显式地创建锁对象，并对共享数据进行加锁和解锁操作，这在复杂的多线程程序中容易出现死锁、性能瓶颈和代码复杂度增加等问题。

为了更好地支持高并发环境下的线程安全操作，Java 5引入了java.util.concurrent.atomic包，其中就包含了AtomicReference类。AtomicReference类通过原子操作实现了对对象引用的原子更新，避免了显式加锁和解锁的开销。

AtomicReference类的设计目标是提供一种简单且高效的方式来进行原子级别的引用更新。它允许开发者以原子方式修改引用，同时保持线程安全和可见性，避免了手动同步和锁的使用。

通过使用AtomicReference，开发者可以在多线程环境下安全地进行对象引用的更新操作，而无需自己编写同步代码或使用锁。这使得并发编程更加简单、高效，并且减少了潜在的线程安全问题。

总之，AtomicReference类的由来是为了提供一种高效、线程安全的方式来进行对象引用的原子更新，以满足并发编程中对性能和可见性的需求。

原理机制

AtomicReference类通过使用volatile关键字和CAS（Compare and Swap）操作来实现原子更新。

volatile关键字：value字段被声明为volatile，这意味着对它的读取和写入都具有可见性。当一个线程修改了value的值后，其他线程可以立即看到最新的值，而不会使用过期的缓存副本。
Unsafe类：Unsafe是JDK内部提供的一个工具类，允许直接操作内存和执行底层的CAS操作。在AtomicReference中，通过Unsafe.getUnsafe()获取Unsafe的实例，然后使用它来执行原子操作。
compareAndSwapObject方法：compareAndSwapObject方法是Unsafe类提供的一个原子操作，用于比较当前值与期望值是否相等，如果相等则将新值设置进去。这个操作是原子的，确保只有一个线程能够成功修改值，其他线程将会失败。

AtomicReference类提供了一系列原子操作的方法，如compareAndSet、getAndSet等。这些方法都是基于CAS操作来实现的，确保对value字段的读写操作是原子的、线程安全的，并且能够保证数据的一致性。

使用AtomicReference可以避免使用锁机制进行同步，从而提高多线程程序的性能和并发性。它可以在并发编程中用于实现非阻塞算法、线程安全的数据结构和其他需要原子更新的场景。

方法总结

valueOffset：通过反射获取value字段的偏移量。
value：使用volatile修饰的变量，表示当前的值。
构造函数：创建一个具有给定初始值的AtomicReference对象。
get()：获取当前的值。
set(V newValue)：设置为给定的值。
lazySet(V newValue)：最终将值设置为给定的值。
compareAndSet(V expect, V update)：如果当前值等于期望值，则以原子方式将值设置为更新值。
weakCompareAndSet(V expect, V update)：与compareAndSet类似，但不提供强制顺序保证。
getAndSet(V newValue)：以原子方式设置为给定的值，并返回旧值。
getAndUpdate(UnaryOperator<V> updateFunction)：以原子方式应用给定函数对当前值进行更新，并返回旧值。
updateAndGet(UnaryOperator<V> updateFunction)：以原子方式应用给定函数对当前值进行更新，并返回新值。
getAndAccumulate(V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction)：以原子方式将给定值和当前值应用于给定函数，并返回旧值。
accumulateAndGet(V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction)：以原子方式将给定值和当前值应用于给定函数，并返回新值。
toString()：返回当前值的字符串表示。

AtomicReference类提供了一种在多线程环境下进行原子操作的方式，特别适用于需要保证数据一致性的场景。它可以用于实现非阻塞算法、线程安全的数据结构和并发编程中的其他需求。

示例

以下是使用 Java 的 AtomicReference 类的示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceExample {
   
   
    public static void main(String[] args) {
   
   
        // 创建一个初始值为 null 的 AtomicReference 对象
        AtomicReference<String> atomicRef = new AtomicReference<>();

        // 设置引用的值
        atomicRef.set("Hello");

        // 获取引用的值
        String value = atomicRef.get();
        System.out.println("Value: " +