并发工具类--原子类

概念

对于简单的原子性问题，还有一种无锁方案。Java SDK 并发包将这种无锁方案封装提炼之后，实现了一系列的原子类。

无锁方案相对互斥锁方案，最大的好处就是性能。互斥锁方案为了保证互斥性，需要执行加锁、解锁操作，而加锁、解锁操作本身就消耗性能；同时拿不到锁的线程还会进入阻塞状态，进而触发线程切换，线程切换对性能的消耗也很大。相比之下，无锁方案则完全没有加锁、解锁的性能消耗，同时还能保证互斥性，既解决了问题，又没有带来新的问题，可谓绝佳方案。

实现原理

原子类性能高的秘密很简单，硬件支持而已。CPU 为了解决并发问题，提供了 CAS 指令（CAS，全称是 Compare And Swap，即“比较并交换”）。CAS 指令包含 3 个参数：共享变量的内存地址 A、用于比较的值 B 和共享变量的新值 C；并且只有当内存中地址 A 处的值等于 B 时，才能将内存中地址 A 处的值更新为新值 C。作为一条 CPU 指令，CAS 指令本身是能够保证原子性的。

使用 CAS 来解决并发问题，一般都会伴随着自旋，而所谓自旋，其实就是循环尝试。

在 CAS 方案中，有一个问题可能会常被你忽略，那就是 ABA 的问题。大多数情况下我们并不关心 ABA 问题，例如数值的原子递增，但也不能所有情况下都不关心，例如原子化的更新对象很可能就需要关心 ABA 问题，因为两个 A 虽然相等，但是第二个 A 的属性可能已经发生变化了。所以在使用 CAS 方案的时候，一定要先 check 一下。

概览

Java SDK 并发包里提供的原子类内容很丰富，我们可以将它们分为五个类别：

原子化的基本数据类型
原子化的对象引用类型
原子化数组
原子化对象属性更新器
原子化的累加器

这五个类别提供的方法基本上是相似的，并且每个类别都有若干原子类，我们可以通过下面的原子类组成概览图来获得一个全局的印象。

分类

原子化的基本数据类型

相关实现有 AtomicBoolean、AtomicInteger 和 AtomicLong，提供的方法主要有以下这些：

getAndIncrement() // 原⼦化 i++
getAndDecrement() // 原⼦化的 i--
incrementAndGet() // 原⼦化的 ++i
decrementAndGet() // 原⼦化的 --i

// 当前值 +=delta，返回 += 前的值
getAndAdd(delta) 
// 当前值 +=delta，返回 += 后的值
addAndGet(delta)

//CAS 操作，返回是否成功
compareAndSet(expect, update)

// 以下四个⽅法，新值可以通过传⼊ func 函数来计算
getAndUpdate(func)
updateAndGet(func)
getAndAccumulate(x,func)
accumulateAndGet(x,func)

原子化的对象引用类型

相关实现有 AtomicReference、 AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference，利用它们可以实现对象引用的原子化更新。
AtomicReference 提供的方法和原子化的基本数据类型差不多。不过需要注意的是，对象引用的更新需要重点关注 ABA 问题，AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 这两个原子类可以解决 ABA 问题。

解决 ABA 问题的思路其实很简单，增加一个版本号维度就可以了，这个和乐观锁机制很类似，每次执行 CAS 操作，附加再更新一个版本号，只要保证版本号是递增的，那么即便 A 变成 B 之后再变回 A，版本号也不会变回来（版本号递增的）。

AtomicStampedReference 实现的 CAS 方法就增加了版本号参数，方法签名如下：

boolean compareAndSet(
V expectedReference,
V newReference,
int expectedStamp,
int newStamp)

AtomicMarkableReference 的实现机制则更简单，将版本号简化成了一个 Boolean 值，方法签名如下：

boolean compareAndSet(
V expectedReference,
V newReference,
boolean expectedMark,
boolean newMark)

原子化数组

相关实现有 AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray，利用这些原子类，我们可以原子化地更新数组里面的每一个元素。这些类提供的方法和原子化的基本数据类型的区别仅仅是：每个方法多了一个数组的索引参数。

原子化对象属性更新器

相关实现有 AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater 和 AtomicReferenceFieldUpdater，利用它们可以原子化地更新对象的属性，这三个方法都是利用反射机制实现的。

需要注意的是，对象属性必须是 volatile 类型的，只有这样才能保证可见性；如果对象属性不是 volatile 类型的，newUpdater() 方法会抛出 IllegalArgumentException 这个运行时异常。

原子化的累加器

DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator 和 LongAdder，这四个类仅仅用来执行累加操作，相比原子化的基本数据类型，速度更快，但是不支持 compareAndSet() 方法。如果我们仅仅需要累加操作，使用原子化的累加器性能会更好。

总结

无锁方案相对于互斥锁方案，优点非常多，首先性能好，其次是基本不会出现死锁问题（但可能出现饥饿和活锁问题，因为自旋会反复重试）。
Java 提供的原子类能够解决一些简单的原子性问题，但是所有原子类的方法都是针对一个共享变量的，如果我们需要解决多个变量的原子性问题，建议还是使用互斥锁方案。原子类虽好，但使用要慎之又慎。