目錄

1. 什么是原子操作

1.1?原子類的作用

1.2?原子類的常見(jiàn)操作

原子類的使用注意事項(xiàng)

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并發(fā)編程是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)應(yīng)用中不可或缺的一部分，而在并發(fā)編程中，處理共享資源的并發(fā)訪問(wèn)是一個(gè)重要的問(wèn)題。為了避免多線程訪問(wèn)共享資源時(shí)出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件（Race Condition）等問(wèn)題，Java提供了一組原子類（Atomic Classes）來(lái)支持線程安全的操作。

1. 什么是原子操作

在并發(fā)編程中，原子操作是不可被中斷的一個(gè)或一系列操作，要么全部執(zhí)行成功，要么全部不執(zhí)行，不會(huì)出現(xiàn)部分執(zhí)行的情況。原子操作能夠保證在多線程環(huán)境下，對(duì)共享資源的操作不會(huì)相互干擾，從而確保數(shù)據(jù)的一致性和可靠性。

1.1?原子類的作用

Java提供了一組原子類，位于java.util.concurrent.atomic包中，用于在多線程環(huán)境下進(jìn)行原子操作。這些原子類利用底層的硬件支持或自旋鎖等機(jī)制來(lái)實(shí)現(xiàn)線程安全的操作，避免了顯式地使用synchronized關(guān)鍵字等鎖機(jī)制，從而提高了并發(fā)性能。

原子類的作用主要有以下幾點(diǎn)：

1. 提供線程安全的操作： 原子類提供了一些常見(jiàn)的操作，如讀取、更新、比較交換等，這些操作在執(zhí)行時(shí)不會(huì)受到其他線程的干擾，從而確保數(shù)據(jù)的一致性。

2. 避免競(jìng)態(tài)條件： 使用原子類可以有效地避免多線程環(huán)境下的競(jìng)態(tài)條件問(wèn)題，例如多個(gè)線程同時(shí)對(duì)同一個(gè)變量進(jìn)行操作，可能導(dǎo)致不可預(yù)測(cè)的結(jié)果。

3. 提高性能： 原子類在實(shí)現(xiàn)上利用了一些底層的技術(shù)，避免了傳統(tǒng)鎖機(jī)制的開銷，因此在某些情況下可以提供更好的性能。

1.2?原子類的常見(jiàn)操作

1. AtomicBoolean

AtomicBoolean類提供了原子的布爾值操作，支持原子的設(shè)置和獲取操作。

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);boolean currentValue = atomicBoolean.get(); // 獲取當(dāng)前值
boolean updatedValue = atomicBoolean.compareAndSet(true, false); // 如果當(dāng)前值為true，則設(shè)置為false

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2. AtomicInteger 和 AtomicLong

AtomicInteger和AtomicLong分別提供了原子的整數(shù)和長(zhǎng)整數(shù)操作，包括增加、減少、獲取等操作。

AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);int currentValue = atomicInt.get(); // 獲取當(dāng)前值
int newValue = atomicInt.incrementAndGet(); // 增加1并返回新值
int updatedValue = atomicInt.addAndGet(5); // 增加5并返回新值

3. AtomicReference

AtomicReference允許在原子級(jí)別上操作引用類型的數(shù)據(jù)。它提供了get、set和compareAndSet等方法。

AtomicReference<String> atomicRef = new AtomicReference<>("initial value");String currentValue = atomicRef.get(); // 獲取當(dāng)前值
boolean updated = atomicRef.compareAndSet("initial value", "new value"); // 如果當(dāng)前值為"initial value"，則設(shè)置為"new value"

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4. AtomicStampedReference

AtomicStampedReference是對(duì)AtomicReference的擴(kuò)展，它還包含一個(gè)時(shí)間戳，用于解決ABA問(wèn)題（即一個(gè)值被修改為另一個(gè)值，然后又被修改回原來(lái)的值，但是在這之間可能發(fā)生了其他的變化）。

AtomicStampedReference<String> atomicStampedRef = new AtomicStampedReference<>("initial value", 0);int currentStamp = atomicStampedRef.getStamp(); // 獲取當(dāng)前時(shí)間戳
String currentValue = atomicStampedRef.getReference(); // 獲取當(dāng)前值
boolean updated = atomicStampedRef.compareAndSet("initial value", "new value", 0, 1); // 如果當(dāng)前值為"initial value"且時(shí)間戳為0，則設(shè)置為"new value"和時(shí)間戳為1

5. AtomicArray

AtomicArray類允許在原子級(jí)別上操作數(shù)組元素，提供了針對(duì)數(shù)組元素的原子更新操作。

AtomicIntegerArray atomicIntArray = new AtomicIntegerArray(5);int currentValue = atomicIntArray.get(2); // 獲取索引為2的元素值
atomicIntArray.set(3, 10); // 設(shè)置索引為3的元素值為10
int updatedValue = atomicIntArray.getAndAdd(1, 5); // 增加索引為1的元素值，并返回舊值

6. AtomicReferenceFieldUpdater

AtomicReferenceFieldUpdater是Java中的一個(gè)工具類，用于進(jìn)行原子更新類的引用類型字段的操作。它允許您在不使用鎖的情況下對(duì)指定的引用字段進(jìn)行原子操作，類似于AtomicFieldUpdater，但專門用于引用類型的字段。AtomicReferenceFieldUpdater主要用于確保在多線程環(huán)境下對(duì)引用字段的操作是線程安全的，并且可以提供更好的性能。

AtomicReferenceFieldUpdater適用于以下場(chǎng)景：

1. 當(dāng)您需要在不使用鎖的情況下對(duì)特定類的引用字段進(jìn)行原子更新時(shí)。

2. 當(dāng)引用字段的訪問(wèn)修飾符是volatile，以確保多線程之間的可見(jiàn)性。

3. 當(dāng)您希望在多個(gè)實(shí)例之間共享原子更新引用字段的功能，而不是整個(gè)對(duì)象。

要使用AtomicReferenceFieldUpdater，首先需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)AtomicReferenceFieldUpdater的實(shí)例。這可以通過(guò)調(diào)用AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Class<T> tclass, Class<V> vclass, String fieldName)方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，其中：

• tclass是包含字段的類的Class對(duì)象。
• vclass是字段的引用類型的Class對(duì)象。
• fieldName是要進(jìn)行原子操作的引用字段的名稱。

以下是一個(gè)示例代碼片段，演示如何創(chuàng)建和使用AtomicReferenceFieldUpdater實(shí)例：

public class AtomicReferenceFieldUpdaterExample {public static class Student {public volatile String name;}public static void main(String[] args) {Student student = new Student();AtomicReferenceFieldUpdater<Student, String> updater =AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");updater.set(student, "Alice"); // 原子地設(shè)置name字段為"Alice"String updatedName = updater.get(student); // 原子地獲取name字段的值System.out.println("Updated Name: " + updatedName);}
}

AtomicReferenceFieldUpdater提供了一系列的原子操作方法，用于對(duì)指定引用字段進(jìn)行原子更新。這些方法包括：

• boolean compareAndSet(T obj, V expect, V update)：如果當(dāng)前值等于expect，則將字段更新為update，返回是否更新成功。

• V getAndSet(T obj, V newValue)：將字段更新為newValue，并返回之前的值。

• V getAndUpdate(T obj, UnaryOperator<V> updateFunction)：使用給定的更新函數(shù)更新字段，并返回更新前的值。

• V updateAndGet(T obj, UnaryOperator<V> updateFunction)：使用給定的更新函數(shù)更新字段，并返回更新后的值。

• V getAndAccumulate(T obj, V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction)：使用給定的累加函數(shù)將字段與x進(jìn)行累加操作，并返回更新前的值。

• V accumulateAndGet(T obj, V x, BinaryOperator<V> accumulatorFunction)：使用給定的累加函數(shù)將字段與x進(jìn)行累加操作，并返回更新后的值。

7.?LongAdder

LongAdder是Java并發(fā)包中提供的一種用于高并發(fā)場(chǎng)景下對(duì)long類型進(jìn)行累加操作的工具類。與傳統(tǒng)的AtomicLong相比，LongAdder在高并發(fā)情況下通常能夠提供更好的性能，因?yàn)樗捎昧艘环N分段的方式來(lái)減少競(jìng)爭(zhēng)。LongAdder的引入主要是為了應(yīng)對(duì)高并發(fā)累加操作的性能瓶頸，特別是在多核處理器上。

LongAdder在高并發(fā)場(chǎng)景下的主要優(yōu)勢(shì)在于分段累加，以及對(duì)熱點(diǎn)數(shù)據(jù)的分離處理。傳統(tǒng)的AtomicLong在高并發(fā)情況下可能會(huì)因?yàn)槎嗑€程之間的競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致性能下降，而LongAdder通過(guò)將累加操作分成多個(gè)段，每個(gè)段維護(hù)一個(gè)計(jì)數(shù)器，從而減少了競(jìng)爭(zhēng)。

另外，LongAdder還引入了一種稱為“分離器”（Cell）的機(jī)制。分離器是計(jì)數(shù)器的基本單元，每個(gè)線程在累加時(shí)會(huì)選擇一個(gè)分離器進(jìn)行操作，這避免了多線程頻繁地競(jìng)爭(zhēng)同一個(gè)計(jì)數(shù)器，從而減少了競(jìng)爭(zhēng)帶來(lái)的開銷。

要使用LongAdder，只需要簡(jiǎn)單地創(chuàng)建一個(gè)LongAdder的實(shí)例即可：

LongAdder longAdder = new LongAdder();

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LongAdder提供了一些常用的方法來(lái)進(jìn)行累加操作：

• void add(long x)：將指定的值添加到計(jì)數(shù)器中。

• void increment()：將計(jì)數(shù)器增加1。

• void decrement()：將計(jì)數(shù)器減少1。

• long sum()：返回當(dāng)前計(jì)數(shù)器的總和。

• void reset()：將計(jì)數(shù)器重置為0。

• void addThenReset(long x)：將指定的值添加到計(jì)數(shù)器中，然后將計(jì)數(shù)器重置為0。

原子類的使用注意事項(xiàng)

1. 性能考慮： 雖然原子類可以提供一定程度的性能優(yōu)勢(shì)，但并不是適用于所有情況。在高并發(fā)場(chǎng)景下，考慮使用原子類；而在低并發(fā)、性能要求不高的情況下，可能傳統(tǒng)的同步機(jī)制更加合適。

2. CAS操作的限制： 原子類的底層實(shí)現(xiàn)主要依賴于CAS（Compare-And-Swap）操作，這是一種樂(lè)觀鎖機(jī)制。然而，CAS操作可能會(huì)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的情況下導(dǎo)致自旋等待，影響性能。

3. ABA問(wèn)題： 原子類的CAS操作可能存在ABA問(wèn)題，即一個(gè)值從A變?yōu)锽，然后又從B變?yōu)锳，這時(shí)CAS操作可能會(huì)錯(cuò)誤地認(rèn)為值沒(méi)有發(fā)生變化?？梢允褂?code>AtomicStampedReference來(lái)解決此問(wèn)題。

4. 復(fù)合操作的原子性： 原子類的單個(gè)操作是原子的，但多個(gè)操作的組合并不一定是原子的。例如，AtomicInteger的incrementAndGet操作是原子的，但在使用時(shí)仍然需要考慮復(fù)合操作的原子性。

5. 適用范圍： 原子類適用于簡(jiǎn)單的原子操作，但并不適用于復(fù)雜的業(yè)務(wù)邏輯。對(duì)于復(fù)雜的操作，可能需要使用鎖等更高級(jí)的同步機(jī)制來(lái)確保線程安全。