Java的Atomic类分析

Atomic包介绍

       Java1.5的Atomic包名为java.util.concurrent.atomic。这个包提供了一系列原子类。这些类可以保证多线程环境下，当某个线程在执行atomic的方法时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个线程执行。Atomic类在软件层面上是非阻塞的，它的原子性其实是在硬件层面上借助相关的指令来保证的。

       Atomic包中的类可以分成4组：

AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference

AtomicIntegerArray，AtomicLongArray

AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference，AtomicReferenceArray

       我们来看一下最简单的AtomicInteger有哪些常见的方法以及这些方法的作用。

get()             直接返回值 

getAndAdd(int)    增加指定的数据，返回变化前的数据 

getAndDecrement() 减少1，返回减少前的数据 

getAndIncrement() 增加1，返回增加前的数据 

getAndSet(int)    设置指定的数据，返回设置前的数据 

addAndGet(int)    增加指定的数据后返回增加后的数据 

decrementAndGet() 减少1，返回减少后的值 

incrementAndGet() 增加1，返回增加后的值 

lazySet(int)      仅仅当get时才会set 

compareAndSet(int, int) 尝试新增后对比，若增加成功则返回true否则返回false 

       在Java语言中，i++这类的操作不是原子操作，并非是线程安全的，使用的时候需要用到synchronized关键字进行同步。而AtomicInteger则通过一种线程安全的操作接口自动实现同步，不需要再人为的增加同步控制。

AtomicInteger源码分析

       下面通过AtomicInteger的源码来看一下是怎么在没有锁的情况下保证数据正确性。首先看一下incrementAndGet方法的实现

public final int incrementAndGet() {    for (;;) {        int current = get();        int next = current + 1;        if (compareAndSet(current, next))            return next;    }}

       方法中采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

       而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {       return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}

       整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。

什么是CAS

       CAS，Compare and Swap即比较并交换。 java.util.concurrent包借助CAS实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。乐观锁就是每次去取数据的时候都乐观的认为数据不会被修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间数据有没有更新。CAS有3个操作数：内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。CAS的关键点在于，系统在硬件层面保证了比较并交换操作的原子性，处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。

CAS的优缺点

       CAS由于是在硬件层面保证的原子性，不会锁住当前线程，它的效率是很高的。 

       CAS虽然很高效的实现了原子操作，但是它依然存在三个问题。

1、ABA问题。CAS在操作值的时候检查值是否已经变化，没有变化的情况下才会进行更新。但是如果一个值原来是A，变成B，又变成A，那么CAS进行检查时会认为这个值没有变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决方法是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就变成1A-2B－3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。

2、并发越高，失败的次数会越多，CAS如果长时间不成功，会极大的增加CPU的开销。因此CAS不适合竞争十分频繁的场景。

3、只能保证一个共享变量的原子操作。当对多个共享变量操作时，CAS就无法保证操作的原子性，这时就可以用锁，或者把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。