多线程（35）原子类

一时失言乱红尘 2024-04-24 23:11 48阅读 0赞

#### 什么是原子操作？ ####

原子操作（Atomic Operations）是在多线程环境中执行时不会被线程调度机制打断的操作；这类操作一旦开始，就会一直运行到结束，中间不会出现上下文切换，从而保证了操作的完整性。在并发编程中，原子操作往往是必须的，以保证数据的一致性和完整性。

在计算机科学中，原子性意味着一个操作或者一系列操作是不可分割的，即要么全部完成要么全部不做，不会停留在中间某个步骤。这在多线程环境中尤其重要，原子性操作可以防止其他线程看到不一致的数据状态。

#### Java中的原子类 ####

Java中的原子操作主要由`java.util.concurrent.atomic`包提供的类来实现。这些类利用了底层的CAS（Compare-And-Swap）操作来保证操作的原子性。CAS操作是处理器提供的一种原子性指令，用于在并发算法中实现无锁的线程安全编程。

以下是一些常用的Java原子类：

*  `AtomicBoolean`：一个布尔值，可以原子地更新。
 *  `AtomicInteger`：一个整数值，可以原子地更新。
 *  `AtomicLong`：一个长整型数值，可以原子地更新。
 *  `AtomicReference`：一个对象引用，可以原子地更新。
 *  数组类型：如`AtomicIntegerArray`，`AtomicLongArray`和`AtomicReferenceArray`，它们分别提供了原子更新数组中的元素。
 *  字段更新器：如`AtomicIntegerFieldUpdater`，`AtomicLongFieldUpdater`和`AtomicReferenceFieldUpdater`，它们提供了原子更新对象的字段。
 *  `AtomicStampedReference`：一个带有整数标记的对象引用，可以用于解决CAS操作中的ABA问题。

#### 源码解析 ####

以`AtomicInteger`为例，来看看Java如何实现原子操作。`AtomicInteger`类的部分关键源码如下：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        
        // 使用 volatile 关键字保证内存可见性
        private volatile int value;
    
        // 利用Unsafe类的CAS方法来实现原子操作
        private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        private static final long valueOffset;
    
        static {
        
            try {
        
                // 反射获取value字段的内存偏移地址
                valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
            } catch (Exception ex) {
         throw new Error(ex); }
        }
    
        public final int get() {
        
            return value;
        }
    
        public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        
            // 利用Unsafe提供的CAS方法，如果当前值==预期值，则更新为新值
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
        }
    
        // 其他方法省略...
    }

#### 代码演示 ####

以下是一个简单的`AtomicInteger`使用示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
    
    public class AtomicIntegerDemo {
        
        public static void main(String[] args) {
        
            AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
    
            // 示例：原子更新
            int oldValue = atomicInt.get();
            int newValue = oldValue + 1;
            atomicInt.compareAndSet(oldValue, newValue);
    
            System.out.println(atomicInt.get()); // 输出 1
        }
    }

#### 总结 ####

原子类通过底层指令来提供非阻塞的算法，以实现线程安全。它们比传统的锁性能更好，因为线程之间不会因为锁竞争而出现阻塞。原子类是实现高效并发程序的重要工具。在实际编程中，应当优先考虑使用原子类来保证数据操作的原子性，从而减少同步的开销。