一、什么是原子类

Java中提供了一些原子类，原子类包装了一个变量，并且提供了一系列对变量进行原子性操作的方法。我们在多线程环境下对这些原子类进行操作时，不需要加锁，大大简化了并发编程的开发。

二、原子类的底层实现

目前Java中提供的原子类大部分底层使用了CAS锁（CompareAndSet自旋锁），如AtomicInteger、AtomicLong等；也有使用了分段锁+CAS锁的原子类，如LongAdder等。

三、常用的原子类

3.1、AtomicInteger与AtomicLong

AtomicInteger与AtomicLong的底层实现与用法基本相同，不同点在于AtomicInteger包装了一个Integer型变量，而AtomicLong包装了一个Long型变量。
AtomicInteger与AtomicLong的底层实现都使用了CAS锁。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;/*** @author IT00ZYQ* @date 2021/5/24 15:33**/
public class T13_AtomicInteger {private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();private static Integer integer = 0;private static Long lon = 0L;public static void main(String[] args) {// 创建10个线程，分别对atomicInteger、atomicLong、integer、lon进行1000次增加1的操作// 如果操作是原子性的，那么正确结果 = 10 * 1000 = 10000Thread[] threads = new Thread[10];for (int i = 0; i < 10; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 1; j <= 1000; j++) {atomicInteger.incrementAndGet();atomicLong.incrementAndGet();integer ++;lon ++;}});}// 启动线程for (Thread thread : threads) {thread.start();}// 保证10个线程运行完成try {for (Thread thread : threads) {thread.join();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("AtomicInteger的结果：" + atomicInteger);System.out.println("AtomicLong的结果：" + atomicLong);System.out.println("Integer的结果：" + integer);System.out.println("Long的结果：" + lon);}
}

运行结果：

AtomicInteger的结果：10000
AtomicLong的结果：10000
Integer的结果：4880
Long的结果：4350Process finished with exit code 0

多次运行发现原子类AtomicInteger与AtomicLong每次都能得到正确的结果10000，但是非原子类Integer与Long一般情况下都达不到10000，每次的结果也可能不一样。

3.2、LongAdder

LongAdder的底层实现使用了分段锁，每个段使用的锁是CAS锁，所以LongAdder的底层实现是分段锁+CAS锁。
在上面的程序添加了一个LongAdder变量进行测试

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;/*** @author IT00ZYQ* @date 2021/5/24 15:33**/
public class T13_AtomicInteger {private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();private static LongAdder longAdder = new LongAdder();private static Integer integer = 0;private static Long lon = 0L;public static void main(String[] args) {// 创建10个线程，分别对atomicInteger、atomicLong、integer、lon进行1000次增加1的操作// 如果操作是原子性的，那么正确结果 = 10 * 1000 = 10000Thread[] threads = new Thread[10];for (int i = 0; i < 10; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 1; j <= 1000; j++) {atomicInteger.incrementAndGet();atomicLong.incrementAndGet();integer ++;lon ++;longAdder.increment();}});}// 启动线程for (Thread thread : threads) {thread.start();}// 保证10个线程运行完成try {for (Thread thread : threads) {thread.join();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println("AtomicInteger的结果：" + atomicInteger);System.out.println("AtomicLong的结果：" + atomicLong);System.out.println("Integer的结果：" + integer);System.out.println("Long的结果：" + lon);System.out.println("LongAdder的结果：" + longAdder);}
}

运行结果：

AtomicInteger的结果：10000
AtomicLong的结果：10000
Integer的结果：6871
Long的结果：6518
LongAdder的结果：10000Process finished with exit code 0

LongAdder类也是能够正确输出结果的。

四、原子类的性能测试

4.1、测试程序

package juc;import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;/*** @author IT00ZYQ* @date 2021/5/24 15:51**/
public class T14_AtomicClassPerformance {private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();private static LongAdder longAdder = new LongAdder();/*** 线程数*/private static final int THREAD_COUNT = 100;/*** 每次线程循环操作次数*/private static final int OPERATION_COUNT = 10000;public static void main(String[] args) {Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];// 创建对AtomicLong进行操作的线程for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 0; j < OPERATION_COUNT; j++) {atomicLong.incrementAndGet();}});}long start1 = System.currentTimeMillis();// 启动线程for (Thread thread : threads) {thread.start();}// 保证线程运行完成try {for (Thread thread : threads) {thread.join();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}long end1 = System.currentTimeMillis();// 创建对LongAdder进行操作的线程for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {threads[i] = new Thread(() -> {for (int j = 0; j < OPERATION_COUNT; j++) {longAdder.increment();}});}long start2 = System.currentTimeMillis();// 启动线程for (Thread thread : threads) {thread.start();}// 保证线程运行完成try {for (Thread thread : threads) {thread.join();}} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}long end2 = System.currentTimeMillis();System.out.println("AtomicLong运行时间: " + (end1 - start1) + "ms, 运行结果：" + atomicLong);System.out.println("LongAdder运行时间: " + (end2 - start2) + "ms, 运行结果：" + longAdder);}}

4.2、测试结果

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 1000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 40ms, 运行结果：100000
LongAdder运行时间: 57ms, 运行结果：100000Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 10000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 108ms, 运行结果：1000000
LongAdder运行时间: 85ms, 运行结果：1000000Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 1000000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 6909ms, 运行结果：100000000
LongAdder运行时间: 468ms, 运行结果：100000000Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 10, OPERATION_COUNT = 1000000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 788ms, 运行结果：10000000
LongAdder运行时间: 162ms, 运行结果：10000000Process finished with exit code 0

4.3、结果分析

当THREAD_COUNT * OPERATION_COUN足够小时，AtomicInteger的性能会略高于LongAdder，而随着THREAD_COUNT * OPERATION_COUN的增加，LongAdder的性能更高，THREAD_COUNT * OPERATION_COUN足够大时，LongAdder的性能远高于AtomicInteger。

4.4、底层实现分析

AtomicLong的原子性自增操作，是通过CAS实现的。在竞争线程数较少且每个线程的运行所需时间较短的情况下，这样做是合适的。但是如果线程竞争激烈，会造成大量线程在原地打转、不停尝试去修改值，但是老是发现值被修改了，于是继续自旋。这样浪费了大量的CPU资源。
LongAdder在竞争激烈时，多个线程并不会一直自旋来修改值，而是采用了分段的思想，各个线程会分散累加到自己所对应的Cell[]数组的某一个数组对象元素中，而不会大家共用一个，把不同线程对应到不同的Cell中进行修改，降低了对临界资源的竞争。本质上，是用空间换时间。

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