一、簡介
在 Java 的java.util.concurrent包中，除了提供底層鎖、併發同步等工具類以外，還提供了一組原子操作類，大多以Atomic開頭，他們位於java.util.concurrent.atomic包下。
所謂原子類操作，顧名思義，就是這個操作要麼全部執行成功，要麼全部執行失敗，是保證併發程式設計安全的重要一環。
相比透過synchronized和lock等方式實現的執行緒安全同步操作，原子類的實現機制則完全不同。它採用的是透過無鎖（lock-free）的方式來實現執行緒安全（thread-safe）訪問，底層原理主要基於CAS操作來實現。
某些業務場景下，透過原子類來操作，既可以實現執行緒安全的要求，又可以實現高效的併發效能，同時程式設計方面更加簡單。
下面我們一起來看看它的具體玩法！
二、常用原子操作類
在java.util.concurrent.atomic包中，因為原子類眾多，如果按照型別進行劃分，可以分為五大類，每個型別下的原子類可以用如下圖來概括（不同 JDK 版本，可能略有不同，本文主要基於 JDK 1.8 進行取樣）。
雖然原子操作類很多，但是大體的用法基本類似，只是針對不同的資料型別進行了單獨適配，這些原子類都可以保證多執行緒下資料的安全性，使用起來也比較簡單。
2.1、基本型別
基本型別的原子類，也是最常用的原子操作類，JDK為開發者提供了三個基礎型別的原子類，內容如下：
AtomicBoolean：布林型別的原子操作類AtomicInteger：整數型別的原子操作類AtomicLong：長整數型別的原子操作類
以AtomicInteger為例，常用的操作方法如下：
| 方法 | 描述 |
|---|---|
int get() |
獲取當前值 |
void set(int newValue) |
設定 value 值 |
int getAndIncrement() |
先取得舊值，然後加1，最後返回舊值 |
int getAndDecrement() |
先取得舊值，然後減1，最後返回舊值 |
int incrementAndGet() |
加1，然後返回新值 |
int decrementAndGet() |
減1，然後返回新值 |
int getAndAdd(int delta) |
先取得舊值，然後增加指定值，最後返回舊值 |
int addAndGet(int delta) |
增加指定值，然後返回新值 |
boolean compareAndSet(int expect, int update) |
直接使用CAS方式，將【舊值】更新成【新值】，核心方法 |
AtomicInteger的使用方式非常簡單，使用示例如下：
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
// 先獲取值，再自增，預設初始值為0
int v1 = atomicInteger.getAndIncrement();
System.out.println("v1：" + v1);
// 獲取自增後的ID值
int v2 = atomicInteger.incrementAndGet();
System.out.println("v2：" + v2);
// 獲取自減後的ID值
int v3 = atomicInteger.decrementAndGet();
System.out.println("v3：" + v3);
// 使用CAS方式，將就舊值更新成 10
boolean v4 = atomicInteger.compareAndSet(v3,10);
System.out.println("v4：" + v4);
// 獲取最新值
int v5 = atomicInteger.get();
System.out.println("v5：" + v5);
輸出結果：
v1：0
v2：2
v3：1
v4：true
v5：10
下面我們以對某個變數累加 10000 次為例，採用 10 個執行緒，每個執行緒累加 1000 次來實現，對比不同的實現方式執行結果的區別（預期結果值為 10000）。
方式一：執行緒不安全操作實現
public class Demo1 {
/**
* 初始化一個變數
*/
private static volatile int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
a++;
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個執行緒執行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結果值
System.out.println("結果值：" + a);
}
}
輸出結果：
結果值：9527
從日誌上可以很清晰的看到，實際結果值與預期不符，即使變數a加了volatile關鍵字，也無法保證累加結果的正確性。
針對volatile關鍵字，在之前的文章中我們有所介紹，它只能保證變數的可見性和程式的有序性，無法保證程式操作的原子性，導致執行結果與預期不符。
方式二：執行緒同步安全操作實現
public class Demo2 {
/**
* 初始化一個變數
*/
private static int a = 0;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (Demo2.class){
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
a++;
}
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個執行緒執行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結果值
System.out.println("結果值：" + a);
}
}
輸出結果：
結果值：10000
當多個執行緒操作同一個變數或者方法的時候，可以在方法上加synchronized關鍵字，可以同時實現變數的可見性、程式的有序性、操作的原子性，達到執行結果與預期一致的效果。
同時也可以採用Lock鎖來實現多執行緒操作安全的效果，執行結果也會與預期一致。
方式三：原子類操作實現
public class Demo3 {
/**
* 初始化一個原子操作類
*/
private static AtomicInteger a = new AtomicInteger();
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final int threads = 10;
CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(threads);
for (int i = 0; i < threads; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 1000; j++) {
// 採用原子性操作累加
a.incrementAndGet();
}
countDownLatch.countDown();
}
}).start();
}
// 阻塞等待10個執行緒執行完畢
countDownLatch.await();
// 輸出結果值
System.out.println("結果值：" + a.get());
}
}
輸出結果：
結果值：10000
從日誌結果上可見，原子操作類也可以實現在多執行緒環境下執行結果與預期一致的效果，關於底層實現原理，我們等會在後文中進行介紹。
與synchronized和Lock等實現方式相比，原子操作類因為採用無鎖的方式實現，因此某些場景下可以帶來更高的執行效率。
2.2、物件引用型別
上文提到的基本型別的原子類，只能更新一個變數，如果需要原子性更新多個變數，這個時候可以採用物件引用型別的原子操作類，將多個變數封裝到一個物件中，JDK為開發者提供了三個物件引用型別的原子類，內容如下：
AtomicReference：物件引用型別的原子操作類AtomicStampedReference：帶有版本號的物件引用型別的原子操作類，可以解決 ABA 問題AtomicMarkableReference：帶有標記的物件引用型別的原子操作類
以AtomicReference為例，構造一個物件引用，具體用法如下：
public class User {
private String name;
private Integer age;
public User(String name, Integer age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
@Override
public String toString() {
return "User{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
// 設定原始值
User user1 = new User("張三", 20);
atomicReference.set(user1);
// 採用CAS方式，將user1更新成user2
User user2 = new User("李四", 21);
atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
System.out.println("更新後的物件：" + atomicReference.get().toString());
輸出結果：
更新後的物件：User{name='李四', age=21}
2.3、物件屬性型別
在某項場景下，可能你只想原子性更新物件中的某個屬性值，此時可以採用物件屬性型別的原子操作類，JDK為開發者提供了三個物件屬性型別的原子類，內容如下：
AtomicIntegerFieldUpdater：屬性為整數型別的原子操作類AtomicLongFieldUpdater：屬性為長整數型別的原子操作類AtomicReferenceFieldUpdater：屬性為物件型別的原子操作類
需要注意的是，這些原子操作類需要滿足以下條件才可以使用。
- 1.被操作的欄位不能是 static 型別
- 2.被操縱的欄位不能是 final 型別
- 3.被操作的欄位必須是 volatile 修飾的
- 4.屬性必須對於當前的 Updater 所在區域是可見的，簡單的說就是儘量使用
public修飾欄位
以AtomicIntegerFieldUpdater為例，構造一個整數型別的屬性引用，具體用法如下：
public class User {
private String name;
/**
* age 欄位加上 volatile 關鍵字，並且改成 public 修飾
*/
public volatile int age;
public User(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
}
User user = new User("張三", 20);
AtomicIntegerFieldUpdater<User> fieldUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class, "age");
// 將 age 的年齡原子性操作加 1
fieldUpdater.getAndIncrement(user);
System.out.println("更新後的屬性值：" + fieldUpdater.get(user));
輸出結果：
更新後的屬性值：21
2.4、陣列型別
陣列型別的原子操作類，並不是指對陣列本身的原子操作，而是對陣列中的元素進行原子性操作，這一點需要特別注意，如果要針對整個陣列進行更新，可以採用物件引入型別的原子操作類進行處理。
JDK為開發者提供了三個陣列型別的原子類，內容如下：
AtomicIntegerArray：陣列為整數型別的原子操作類AtomicLongArray：陣列為長整數型別的原子操作類AtomicReferenceArray：陣列為物件型別的原子操作類
以AtomicIntegerArray為例，具體用法如下：
int[] value = new int[]{0, 3, 5};
AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(value);
// 將下標為[0]的元素，原子性操作加 1
array.getAndIncrement(0);
System.out.println("下標為[0]的元素，更新後的值：" + array.get(0));
輸出結果：
下標為[0]的元素，更新後的值：1
2.5、累加器型別
累加器型別的原子操作類，是從 jdk 1.8 開始加入的，專門用來執行數值型別的資料累加操作，效能更好。
它的實現原理與基本資料型別的原子類略有不同，當多執行緒競爭時採用分段累加的思路來實現目標值，在多執行緒環境中，它比AtomicLong效能要高出不少，特別是寫多的場景。
JDK為開發者提供了四個累加器型別的原子類，內容如下：
LongAdder：長整數型別的原子累加操作類LongAccumulator：LongAdder的功能增強版，它支援自定義的函式操作DoubleAdder：浮點數型別的原子累加操作類DoubleAccumulator：同樣的，也是DoubleAdder的功能增強版，支援自定義的函式操作
以LongAdder為例，具體用法如下：
LongAdder adder = new LongAdder();
// 自增加 1，預設初始值為0
adder.increment();
adder.increment();
adder.increment();
System.out.println("最新值：" + adder.longValue());
輸出結果：
最新值：3
三、原理解析
在上文中，我們提到了原子類的底層主要基於CAS來實現，CAS的全稱是：Compare and Swap，翻譯過來就是：比較並替換。
CAS是實現併發演算法時常用的一種技術，它包含三個運算元：記憶體位置、預期原值及新值。在執行CAS操作的時候，會將記憶體位置的值與預期原值比較，如果一致，會將該位置的值更新為新值；否則，不做任何操作。
我們還是以上文介紹的AtomicInteger為例，部分原始碼內容如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
// 使用 Unsafe.compareAndSwapInt 方法進行 CAS 操作
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 變數使用 volatile 保證可見性
private volatile int value;
/**
* get 方法
*/
public final int get() {
return value;
}
/**
* 原子性自增操作
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
}
從原始碼上可以清晰的看出，變數value使用了volatile關鍵字，保證資料可見性和程式的有序性；原子性自增操作incrementAndGet()方法，路由到Unsafe.getAndAddInt()方法上。
我們繼續往下看Unsafe.getAndAddInt()這個方法，部分原始碼內容如下：
public final class Unsafe {
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
// 1.迴圈比較並替換，只有成功才返回
do {
// 2.呼叫底層方法得到 value 值
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 3.透過var1和var2得到底層值，var5為當前值，如果底層值與當前值相同，則將值設為var5+var4
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
// 4.如果替換成功，返回當前值
return var5;
}
/**
* CAS 核心方法，由其他語言實現，不再分析
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
}
從以上的原始碼可以清晰的看到，incrementAndGet()方法主要基於Unsafe.compareAndSwapInt方法來實現，同時進行了迴圈比較與替換的操作，只有替換成功才會返回，這個過程也被稱為自旋操作，確保程式執行成功，進一步保證了操作的原子性。
其它的方法實現思路也類似。
如果我們自己透過CAS編寫incrementAndGet()，大概長這樣：
public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
int prev, next;
do {
prev = var.get();
next = prev + 1;
} while ( !var.compareAndSet(prev, next));
return next;
}
當併發數量比較低的時候，採用CAS這種方式可以實現更快的執行效率；當併發數量比較高的時候，因為存在迴圈比較與替換的邏輯，如果長時間迴圈，可能會更加消耗 CPU 資源，此時採用synchronized或Lock來實現執行緒同步，可能會更有優勢。
四、ABA問題
從上文的分析中，我們知道 CAS 在操作的時候會檢查預期原值是否發生變化，當預期原值沒有發生變化才會更新值。
在實際業務中，可能會出現這麼一個現象：執行緒 t1 正嘗試將共享變數的值 A 進行修改，但還沒修改；此時另一個執行緒 t2 獲取到 CPU 時間片，將共享變數的值 A 修改成 B，然後又修改為 A，此時執行緒 t1 檢查發現共享變數的值沒有發生變化，就會主動去更新值，導致出現了錯誤更新，但是實際上原始值在這個過程中發生了好幾次變化。這個現象我們稱它為 ABA 問題。
ABA 問題的解決思路就是使用版本號，在變數前面追加上版本號，每次變數更新的時候把版本號加 1，原來的A-B-A就會變成1A-2B-3A。
在java.util.concurrent.atomic包下提供了AtomicStampedReference類，它支援指定版本號來更新，可以透過它來解決 ABA 問題。
在AtomicStampedReference類的compareAndSet()方法中，會檢查當前引用是否等於預期引用，並且當前版本號是否等於預期版本號，如果全部相等，則以原子方式將該引用的值設定為給定的更新值，同時更新版本號。
具體示例如下：
// 初始化一個帶版本號的原子操作類，原始值：a，原始版本號：1
AtomicStampedReference<String> reference = new AtomicStampedReference<>("a", 1);
// 將a更為b，同時將版本號加1，第一個引數：預期原值；第二個引數：更新後的新值；第三個引數：預期原版本號；第四個引數：更新後的版本號
boolean result1 = reference.compareAndSet("a", "b", reference.getStamp(), reference.getStamp() + 1);
System.out.println("第一次更新：" + result1);
// 將b更為a，因為預期原版本號不對，所以更新失敗
boolean result2 = reference.compareAndSet("b", "a", 1, reference.getStamp());
System.out.println("第二次更新：" + result2);
輸出結果：
第一次更新：true
第二次更新：false
五、小結
本文主要圍繞AtomicInteger的用法和原理進行一次知識總結，JUC包下的原子操作類非常的多，但是大體用法基本相似，只是針對不同的資料型別做了細分處理。
在實際業務開發中，原子操作類通常用於計數器，累加器等場景，比如編寫一個多執行緒安全的全域性唯一 ID 生成器。
public class IdGenerator {
private static AtomicLong atomic = new AtomicLong(0);
public long getNextId() {
return atomic.incrementAndGet();
}
}
希望本篇的知識總結，能幫助到大家！
六、參考
1.https://www.liaoxuefeng.com/wiki/1252599548343744/1306581083881506
2.https://blog.csdn.net/zzti_erlie/article/details/123001758
3.https://juejin.cn/post/7057032581165875231