Java中的Atomic包使用指南

引言

Java從JDK1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程式設計師在多執行緒環境下，無鎖的進行原子操作。原子變數的底層使用了處理器提供的原子指令，但是不同的CPU架構可能提供的原子指令不一樣，也有可能需要某種形式的內部鎖,所以該方法不能絕對保證執行緒不被阻塞。

Atomic包介紹

在Atomic包裡一共有12個類，四種原子更新方式，分別是原子更新基本型別，原子更新陣列，原子更新引用和原子更新欄位。Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。

原子更新基本型別類

用於通過原子的方式更新基本型別，Atomic包提供了以下三個類：

• AtomicBoolean：原子更新布林型別。
• AtomicInteger：原子更新整型。
• AtomicLong：原子更新長整型。

AtomicInteger的常用方法如下：

• int addAndGet(int delta) ：以原子方式將輸入的數值與例項中的值（AtomicInteger裡的value）相加，並返回結果
• boolean compareAndSet(int expect, int update) ：如果輸入的數值等於預期值，則以原子方式將該值設定為輸入的值。
• int getAndIncrement()：以原子方式將當前值加1，注意：這裡返回的是自增前的值。
• void lazySet(int newValue)：最終會設定成newValue，使用lazySet設定值後，可能導致其他執行緒在之後的一小段時間內還是可以讀到舊的值。
• int getAndSet(int newValue)：以原子方式設定為newValue的值，並返回舊值。

AtomicInteger例子程式碼如下：

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());
	}

}

輸出

1
2

餐後甜點

Atomic包提供了三種基本型別的原子更新，但是Java的基本型別裡還有char，float和double等。那麼問題來了，如何原子的更新其他的基本型別呢？Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的，讓我們一起看下Unsafe的原始碼，發現Unsafe只提供了三種CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean原始碼，發現其是先把Boolean轉換成整型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，所以原子更新double也可以用類似的思路來實現。

原子更新陣列類

通過原子的方式更新陣列裡的某個元素，Atomic包提供了以下三個類：

• AtomicIntegerArray：原子更新整型陣列裡的元素。
• AtomicLongArray：原子更新長整型陣列裡的元素。
• AtomicReferenceArray：原子更新引用型別陣列裡的元素。

AtomicIntegerArray類主要是提供原子的方式更新陣列裡的整型，其常用方法如下

• int addAndGet(int i, int delta)：以原子方式將輸入值與陣列中索引i的元素相加。
• boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：如果當前值等於預期值，則以原子方式將陣列位置i的元素設定成update值。

例項程式碼如下：

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]);
	}

}

輸出

3
1

AtomicIntegerArray類需要注意的是，陣列value通過構造方法傳遞進去，然後AtomicIntegerArray會將當前陣列複製一份，所以當AtomicIntegerArray對內部的陣列元素進行修改時，不會影響到傳入的陣列。

原子更新引用型別

原子更新基本型別的AtomicInteger，只能更新一個變數，如果要原子的更新多個變數，就需要使用這個原子更新引用型別提供的類。Atomic包提供了以下三個類：

• AtomicReference：原子更新引用型別。
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用型別裡的欄位。
• AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用型別。可以原子的更新一個布林型別的標記位和引用型別。構造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark)

AtomicReference的使用例子程式碼如下：

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;
		}
	}
}

輸出

Shinichi
17

原子更新欄位類

如果我們只需要某個類裡的某個欄位，那麼就需要使用原子更新欄位類，Atomic包提供了以下三個類：

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的欄位的更新器。
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型欄位的更新器。
• AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用型別。該類將整數值與引用關聯起來，可用於原子的更資料和資料的版本號，可以解決使用CAS進行原子更新時，可能出現的ABA問題。

原子更新欄位類都是抽象類，每次使用都時候必須使用靜態方法newUpdater建立一個更新器。原子更新類的欄位的必須使用public Volatile修飾符。AtomicIntegerFieldUpdater的例子程式碼如下：

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;
		}
	}
}

輸出

10
11

參考資料

• JDK1.6原始碼
• JDK1.6API文件
• Unsafe原始碼