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從本節開始，我們探討Java併發工具包java.util.concurrent中的內容，本節先介紹最基本的原子變數及其背後的原理和思維。
原子變數
什麼是原子變數？為什麼需要它們呢？
在理解synchronized一節，我們介紹過一個Counter類，使用synchronized關鍵字保證原子更新操作，程式碼如下：
public class Counter {
private int count;
public synchronized void incr(){
count ++;
}
public synchronized int getCount() {
return count;
}
}
複製程式碼對於count++這種操作來說，使用synchronzied成本太高了，需要先獲取鎖，最後還要釋放鎖，獲取不到鎖的情況下還要等待，還會有執行緒的上下文切換，這些都需要成本。
對於這種情況，完全可以使用原子變數代替，Java併發包中的基本原子變數型別有：
- AtomicBoolean：原子Boolean型別
- AtomicInteger：原子Integer型別
- AtomicLong：原子Long型別
- AtomicReference：原子引用型別
這是我們主要介紹的類，除了這四個類，還有一些其他的類，我們也會進行簡要介紹。
針對Integer, Long和Reference型別，還有對應的陣列型別：
- AtomicIntegerArray
- AtomicLongArray
- AtomicReferenceArray
為了便於以原子方式更新物件中的欄位，還有如下的類：
- AtomicIntegerFieldUpdater
- AtomicLongFieldUpdater
- AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicReference還有兩個類似的類，在某些情況下更為易用：
- AtomicMarkableReference
- AtomicStampedReference
你可能會發現，怎麼沒有針對char, short, float, double型別的原子變數呢？大概是用的比較少吧，如果需要，可以轉換為int/long，然後使用AtomicInteger或AtomicLong。比如，對於float，可以使用如下方法和int相互轉換：
public static int floatToIntBits(float value)
public static float intBitsToFloat(int bits);
複製程式碼下面，我們先來看幾個基本原子型別，從AtomicInteger開始。
AtomicInteger
基本用法
AtomicInteger有兩個構造方法：
public AtomicInteger(int initialValue)
public AtomicInteger()
複製程式碼第一個構造方法給定了一個初始值，第二個的初始值為0。
可以直接獲取或設定AtomicInteger中的值，方法是：
public final int get()
public final void set(int newValue)
複製程式碼之所以稱為原子變數，是因為其包含一些以原子方式實現組合操作的方法，比如：
//以原子方式獲取舊值並設定新值
public final int getAndSet(int newValue)
//以原子方式獲取舊值並給當前值加1
public final int getAndIncrement()
//以原子方式獲取舊值並給當前值減1
public final int getAndDecrement()
//以原子方式獲取舊值並給當前值加delta
public final int getAndAdd(int delta)
//以原子方式給當前值加1並獲取新值
public final int incrementAndGet()
//以原子方式給當前值減1並獲取新值
public final int decrementAndGet()
//以原子方式給當前值加delta並獲取新值
public final int addAndGet(int delta)
複製程式碼這些方法的實現都依賴另一個public方法：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
複製程式碼這是一個非常重要的方法，比較並設定，我們以後將簡稱為CAS。該方法以原子方式實現瞭如下功能：如果當前值等於expect，則更新為update，否則不更新，如果更新成功，返回true，否則返回false。
AtomicInteger可以在程式中用作一個計數器，多個執行緒併發更新，也總能實現正確性，我們看個例子：
public class AtomicIntegerDemo {
private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
static class Visitor extends Thread {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 100; i++) {
counter.incrementAndGet();
Thread.yield();
}
}
}
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
int num = 100;
Thread[] threads = new Thread[num];
for (int i = 0; i < num; i++) {
threads[i] = new Visitor();
threads[i].start();
}
for (int i = 0; i < num; i++) {
threads[i].join();
}
System.out.println(counter.get());
}
}
複製程式碼程式的輸出總是正確的，為10000。
基本原理和思維
AtomicInteger的使用方法是簡單直接的，它是怎麼實現的呢？它的主要內部成員是：
private volatile int value;
複製程式碼注意，它的宣告帶有volatile，這是必需的，以保證記憶體可見性。
它的大部分更新方法實現都類似，我們看一個方法incrementAndGet，其程式碼為：
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
複製程式碼程式碼主體是個死迴圈，先獲取當前值current，計算期望的值next，然後呼叫CAS方法進行更新，如果當前值沒有變，則更新並返回新值，否則繼續迴圈直到更新成功為止。
與synchronized鎖相比，這種原子更新方式代表一種不同的思維方式。
synchronized是悲觀的，它假定更新很可能衝突，所以先獲取鎖，得到鎖後才更新。原子變數的更新邏輯是樂觀的，它假定衝突比較少，但使用CAS更新，也就是進行衝突檢測，如果確實衝突了，那也沒關係，繼續嘗試就好了。
synchronized代表一種阻塞式演算法，得不到鎖的時候，進入鎖等待佇列，等待其他執行緒喚醒，有上下文切換開銷。原子變數的更新邏輯是非阻塞式的，更新衝突的時候，它就重試，不會阻塞，不會有上下文切換開銷。
對於大部分比較簡單的操作，無論是在低併發還是高併發情況下，這種樂觀非阻塞方式的效能都要遠高於悲觀阻塞式方式。
原子變數是比較簡單的，但對於複雜一些的資料結構和演算法，非阻塞方式往往難於實現和理解，幸運的是，Java併發包中已經提供了一些非阻塞容器，我們只需要會使用就可以了，比如：
- ConcurrentLinkedQueue和ConcurrentLinkedDeque：非阻塞併發佇列
- ConcurrentSkipListMap和ConcurrentSkipListSet：非阻塞併發Map和Set
這些容器我們在後續章節介紹。
但compareAndSet是怎麼實現的呢？我們看程式碼：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
複製程式碼它呼叫了unsafe的compareAndSwapInt方法，unsafe是什麼呢？它的型別為sun.misc.Unsafe，定義為：
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
複製程式碼它是Sun的私有實現，從名字看，表示的也是”不安全”，一般應用程式不應該直接使用。原理上，一般的計算機系統都在硬體層次上直接支援CAS指令，而Java的實現都會利用這些特殊指令。從程式的角度看，我們可以將compareAndSet視為計算機的基本操作，直接接納就好。
實現鎖
基於CAS，除了可以實現樂觀非阻塞演算法，它也可以用來實現悲觀阻塞式演算法，比如鎖，實際上，Java併發包中的所有阻塞式工具、容器、演算法也都是基於CAS的 (不過，也需要一些別的支援)。
怎麼實現呢？我們演示一個簡單的例子，用AtomicInteger實現一個鎖MyLock，程式碼如下：
public class MyLock {
private AtomicInteger status = new AtomicInteger(0);
public void lock() {
while (!status.compareAndSet(0, 1)) {
Thread.yield();
}
}
public void unlock() {
status.compareAndSet(1, 0);
}
}
複製程式碼在MyLock中，使用status表示鎖的狀態，0表示未鎖定，1表示鎖定，lock()/unlock()使用CAS方法更新，lock()只有在更新成功後才退出，實現了阻塞的效果，不過一般而言，這種阻塞方式過於消耗CPU，有更為高效的方式，我們後續章節介紹。MyLock只是用於演示基本概念，實際開發中應該使用Java併發包中的類如ReentrantLock。
AtomicBoolean/AtomicLong/AtomicReference
AtomicBoolean/AtomicLong/AtomicReference的用法和原理與AtomicInteger是類似的，我們簡要介紹下。
AtomicBoolean
AtomicBoolean可以用來在程式中表示一個標誌位，它的原子操作方法有：
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update)
public final boolean getAndSet(boolean newValue)
複製程式碼實際上，AtomicBoolean內部使用的也是int型別的值，用1表示true, 0表示false，比如，其CAS方法程式碼為：
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
int e = expect ? 1 : 0;
int u = update ? 1 : 0;
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}
複製程式碼AtomicLong
AtomicLong可以用來在程式中生成唯一序列號，它的方法與AtomicInteger類似，就不贅述了。它的CAS方法呼叫的是unsafe的另一個方法，如：
public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
}
複製程式碼AtomicReference
AtomicReference用來以原子方式更新複雜型別，它有一個型別引數，使用時需要指定引用的型別。以下程式碼演示了其基本用法：
public class AtomicReferenceDemo {
static class Pair {
final private int first;
final private int second;
public Pair(int first, int second) {
this.first = first;
this.second = second;
}
public int getFirst() {
return first;
}
public int getSecond() {
return second;
}
}
public static void main(String[] args) {
Pair p = new Pair(100, 200);
AtomicReference<Pair> pairRef = new AtomicReference<>(p);
pairRef.compareAndSet(p, new Pair(200, 200));
System.out.println(pairRef.get().getFirst());
}
}
複製程式碼AtomicReference的CAS方法呼叫的是unsafe的另一個方法：
public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
}
複製程式碼原子陣列
原子陣列方便以原子的方式更新陣列中的每個元素，我們以AtomicIntegerArray為例來簡要介紹下。
它有兩個構造方法：
public AtomicIntegerArray(int length)
public AtomicIntegerArray(int[] array)
複製程式碼第一個會建立一個長度為length的空陣列。第二個接受一個已有的陣列，但不會直接操作該陣列，而是會建立一個新陣列，只是拷貝引數陣列中的內容到新陣列。
AtomicIntegerArray中的原子更新方法大多帶有陣列索引引數，比如：
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)
public final int getAndIncrement(int i)
public final int getAndAdd(int i, int delta)
複製程式碼第一個引數i就是索引。看個簡單的例子：
public class AtomicArrayDemo {
public static void main(String[] args) {
int[] arr = { 1, 2, 3, 4 };
AtomicIntegerArray atomicArr = new AtomicIntegerArray(arr);
atomicArr.compareAndSet(1, 2, 100);
System.out.println(atomicArr.get(1));
System.out.println(arr[1]);
}
}
複製程式碼輸出為：
100
2
複製程式碼FieldUpdater
FieldUpdater方便以原子方式更新物件中的欄位，欄位不需要宣告為原子變數，FieldUpdater是基於反射機制實現的，我們會在後續章節介紹反射，這裡簡單介紹下其用法，看程式碼：
public class FieldUpdaterDemo {
static class DemoObject {
private volatile int num;
private volatile Object ref;
private static final AtomicIntegerFieldUpdater<DemoObject> numUpdater
= AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(DemoObject.class, "num");
private static final AtomicReferenceFieldUpdater<DemoObject, Object>
refUpdater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(
DemoObject.class, Object.class, "ref");
public boolean compareAndSetNum(int expect, int update) {
return numUpdater.compareAndSet(this, expect, update);
}
public int getNum() {
return num;
}
public Object compareAndSetRef(Object expect, Object update) {
return refUpdater.compareAndSet(this, expect, update);
}
public Object getRef() {
return ref;
}
}
public static void main(String[] args) {
DemoObject obj = new DemoObject();
obj.compareAndSetNum(0, 100);
obj.compareAndSetRef(null, new String("hello"));
System.out.println(obj.getNum());
System.out.println(obj.getRef());
}
}
複製程式碼類DemoObject中有兩個成員num和ref，宣告為volatile，但不是原子變數，不過DemoObject對外提供了原子更新方法compareAndSet，它是使用欄位對應的FieldUpdater實現的，FieldUpdater是一個靜態成員，通過newUpdater工廠方法得到，newUpdater需要的引數有型別、欄位名、對於引用型別，還需要引用的具體型別。
ABA問題
使用CAS方式更新有一個ABA問題，該問題是指，一個執行緒開始看到的值是A，隨後使用CAS進行更新，它的實際期望是沒有其他執行緒修改過才更新，但普通的CAS做不到，因為可能在這個過程中，已經有其他執行緒修改過了，比如先改為了B，然後又改回為了A。
ABA是不是一個問題與程式的邏輯有關，如果是一個問題，一個解決方法是使用AtomicStampedReference，在修改值的同時附加一個時間戳，只有值和時間戳都相同才進行修改，其CAS方法宣告為：
public boolean compareAndSet(
V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)
複製程式碼比如：
Pair pair = new Pair(100, 200);
int stamp = 1;
AtomicStampedReference<Pair> pairRef = new AtomicStampedReference<Pair>(pair, stamp);
int newStamp = 2;
pairRef.compareAndSet(pair, new Pair(200, 200), stamp, newStamp);
複製程式碼AtomicStampedReference在compareAndSet中要同時修改兩個值，一個是引用，另一個是時間戳，它怎麼實現原子性呢？實際上，內部AtomicStampedReference會將兩個值組合為一個物件，修改的是一個值，我們看程式碼：
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedStamp == current.stamp &&
((newReference == current.reference &&
newStamp == current.stamp) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
複製程式碼這個Pair是AtomicStampedReference的一個內部類，成員包括引用和時間戳，具體定義為：
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
複製程式碼AtomicStampedReference將對引用值和時間戳的組合比較和修改轉換為了對這個內部類Pair單個值的比較和修改。
AtomicMarkableReference是另一個AtomicReference的增強類，與AtomicStampedReference類似，它也是給引用關聯了一個欄位，只是這次是一個boolean型別的標誌位，只有引用值和標誌位都相同的情況下才進行修改。
小結
本節介紹了各種原子變數的用法以及背後的原理CAS，對於併發環境中的計數、產生序列號等需求，考慮使用原子變數而非鎖，CAS是Java併發包的基礎，基於它可以實現高效的、樂觀、非阻塞式資料結構和演算法，它也是併發包中鎖、同步工具和各種容器的基礎。
下一節，我們討論併發包中的顯式鎖。
(與其他章節一樣，本節所有程式碼位於 github.com/swiftma/pro…)
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