Java高并发编程：原子类

1. 并发编程概念

原子性

一个操作不能被再拆分了；即一个操作或者多个操作要么全部执行并且执行的过程不会被任何因素打断，要么就都不执行。一个很经典的例子就是银行账户转账问题。
增量操作符++，不是原子的操作，它是先读取旧值，然后写回新值，包含2个操作

可见性

可见性是指当多个线程访问同一个变量时，一个线程修改了这个变量的值，其他线程能够立即看得到修改的值。

有序性

即程序执行的顺序按照代码的先后顺序执行。但是指令重排序会影响到线程并发执行的正确性

总结

要想并发程序正确地执行，必须要保证原子性、可见性以及有序性。只要有一个没有被保证，就有可能会导致程序运行不正确。

并发，并行，串行

并行是逻辑上同时发生，指在某一个时间内同时运行多个程序。
并发是物理上同时发生，指在某一个时间点同时运行多个程序。

2. 原子类

java.util.concurrent.atomic包：原子类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程

2.1 如果同一个变量要被多个线程访问，则可以使用该包中的类

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong
AtomicReference

2.2 AtomicIntegerArray：操作数组里面的某个整数

2.3 同样该包中提供了可以用于反射操作的类

AtomicReferenceFieldUpdater
AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater

它们可以提供对关联字段类型的访问。

3. 原子性布尔 AtomicBoolean

AtomicBoolean 类为我们提供了一个可以用原子方式进行读和写的布尔值，它还拥有一些先进的原子性操作，比如 compareAndSet()。AtomicBoolean 类位于 java.util.concurrent.atomic 包，完整类名是为 java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean。本小节描述的 AtomicBoolean 是 Java 8 版本里的，而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicBoolean 背后的设计理念在我的《Java 并发指南》主题的《比较和交换》小节有解释。

创建一个 AtomicBoolean

你可以这样创建一个 AtomicBoolean：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean();

以上示例新建了一个默认值为 false 的 AtomicBoolean。

如果你想要为 AtomicBoolean 实例设置一个显式的初始值，那么你可以将初始值传给 AtomicBoolean 的构造子：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);

获取 AtomicBoolean 的值

你可以通过使用 get() 方法来获取一个 AtomicBoolean 的值。示例如下：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  boolean value = atomicBoolean.get();

以上代码执行后 value 变量的值将为 true。

设置 AtomicBoolean 的值

你可以通过使用 set() 方法来设置一个 AtomicBoolean 的值。示例如下：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  atomicBoolean.set(false);

以上代码执行后 AtomicBoolean 的值为 false。

交换 AtomicBoolean 的值

你可以通过 getAndSet() 方法来交换一个 AtomicBoolean 实例的值。getAndSet() 方法将返回 AtomicBoolean 当前的值，并将为 AtomicBoolean 设置一个新值。示例如下：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);
boolean oldValue = atomicBoolean.getAndSet(false);

以上代码执行后 oldValue 变量的值为 true，atomicBoolean 实例将持有 false 值。代码成功将 AtomicBoolean 当前值 ture 交换为 false。

比较并设置 AtomicBoolean 的值

compareAndSet() 方法允许你对 AtomicBoolean 的当前值与一个期望值进行比较，如果当前值等于期望值的话，将会对 AtomicBoolean 设定一个新值。compareAndSet() 方法是原子性的，因此在同一时间之内有单个线程执行它。因此 compareAndSet() 方法可被用于一些类似于锁的同步的简单实现。

以下是一个 compareAndSet() 示例：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  boolean expectedValue = true;
boolean newValue      = false;  boolean wasNewValueSet = atomicBoolean.compareAndSet(expectedValue, newValue);

本示例对 AtomicBoolean 的当前值与 true 值进行比较，如果相等，将 AtomicBoolean 的值更新为 false。

4. 原子性整型 AtomicInteger

AtomicInteger 类为我们提供了一个可以进行原子性读和写操作的 int 变量，它还包含一系列先进的原子性操作，比如 compareAndSet()。AtomicInteger 类位于 java.util.concurrent.atomic 包，因此其完整类名为 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger。本小节描述的 AtomicInteger 是 Java 8 版本里的，而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicInteger 背后的设计理念在我的《Java 并发指南》主题的《比较和交换》小节有解释。

创建一个 AtomicInteger

创建一个 AtomicInteger 示例如下：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

本示例将创建一个初始值为 0 的 AtomicInteger。
如果你想要创建一个给定初始值的 AtomicInteger，你可以这样：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);

本示例将 123 作为参数传给 AtomicInteger 的构造子，它将设置 AtomicInteger 实例的初始值为 123。

获取 AtomicInteger 的值

你可以使用 get() 方法获取 AtomicInteger 实例的值。示例如下：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);
int theValue = atomicInteger.get();

设置 AtomicInteger 的值

你可以通过 set() 方法对 AtomicInteger 的值进行重新设置。以下是 AtomicInteger.set() 示例：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);
atomicInteger.set(234);

以上示例创建了一个初始值为 123 的 AtomicInteger，而在第二行将其值更新为 234。

比较并设置 AtomicInteger 的值

AtomicInteger 类也通过了一个原子性的 compareAndSet() 方法。这一方法将 AtomicInteger 实例的当前值与期望值进行比较，如果二者相等，为 AtomicInteger 实例设置一个新值。AtomicInteger.compareAndSet() 代码示例：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  int expectedValue = 123;
int newValue      = 234;
atomicInteger.compareAndSet(expectedValue, newValue);

本示例首先新建一个初始值为 123 的 AtomicInteger 实例。然后将 AtomicInteger 与期望值 123 进行比较，如果相等，将 AtomicInteger 的值更新为 234。

增加 AtomicInteger 值

AtomicInteger 类包含有一些方法，通过它们你可以增加 AtomicInteger 的值，并获取其值。这些方法如下：

addAndGet()
getAndAdd()
getAndIncrement()
incrementAndGet()

第一个 addAndGet() 方法给 AtomicInteger 增加了一个值，然后返回增加后的值。getAndAdd() 方法为 AtomicInteger 增加了一个值，但返回的是增加以前的 AtomicInteger 的值。具体使用哪一个取决于你的应用场景。以下是这两种方法的示例：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(10));
System.out.println(atomicInteger.addAndGet(10));

本示例将打印出 0 和 20。例子中，第二行拿到的是加 10 之前的 AtomicInteger 的值。加 10 之前的值是 0。第三行将 AtomicInteger 的值再加 10，并返回加操作之后的值。该值现在是为 20。

你当然也可以使用这俩方法为 AtomicInteger 添加负值。结果实际是一个减法操作。

getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法类似于 getAndAdd() 和 addAndGet()，但每次只将 AtomicInteger 的值加 1。

减小 AtomicInteger 的值

AtomicInteger 类还提供了一些减小 AtomicInteger 的值的原子性方法。这些方法是：

decrementAndGet()
getAndDecrement()

decrementAndGet() 将 AtomicInteger 的值减一，并返回减一后的值。getAndDecrement() 也将 AtomicInteger 的值减一，但它返回的是减一之前的值。

5. 原子性长整型 AtomicLong

AtomicLong 类为我们提供了一个可以进行原子性读和写操作的 long 变量，它还包含一系列先进的原子性操作，比如 compareAndSet()AtomicLong 类位于 java.util.concurrent.atomic 包，因此其完整类名为 java.util.concurrent.atomic.AtomicLong。本小节描述的 AtomicLong 是 Java 8 版本里的，而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicLong 背后的设计理念在我的《Java 并发指南》主题的《比较和交换》小节有解释。

创建一个 AtomicLong
创建一个 AtomicLong 如下：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();

将创建一个初始值为 0 的 AtomicLong。
如果你想创建一个指定初始值的 AtomicLong，可以：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);

本示例将 123 作为参数传递给 AtomicLong 的构造子，后者将 AtomicLong 实例的初始值设置为 123。
获取 AtomicLong 的值
你可以通过 get() 方法获取 AtomicLong 的值。AtomicLong.get() 示例：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  long theValue = atomicLong.get();

设置 AtomicLong 的值
你可以通过 set() 方法设置 AtomicLong 实例的值。一个 AtomicLong.set() 的示例：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  atomicLong.set(234);

本示例新建了一个初始值为 123 的 AtomicLong，第二行将其值设置为 234。

比较并设置 AtomicLong 的值

AtomicLong 类也有一个原子性的 compareAndSet() 方法。这一方法将 AtomicLong 实例的当前值与一个期望值进行比较，如果两种相等，为 AtomicLong 实例设置一个新值。AtomicLong.compareAndSet() 使用示例：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  long expectedValue = 123;
long newValue      = 234;
atomicLong.compareAndSet(expectedValue, newValue);

本示例新建了一个初始值为 123 的 AtomicLong。然后将 AtomicLong 的当前值与期望值 123 进行比较，如果相等的话，AtomicLong 的新值将变为 234。

增加 AtomicLong 值

AtomicLong 具备一些能够增加 AtomicLong 的值并返回自身值的方法。这些方法如下：

addAndGet()
getAndAdd()
getAndIncrement()
incrementAndGet()

第一个方法 addAndGet() 将 AtomicLong 的值加一个数字，并返回增加后的值。第二个方法 getAndAdd() 也将 AtomicLong 的值加一个数字，但返回的是增加前的 AtomicLong 的值。具体使用哪一个取决于你自己的场景。示例如下：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
System.out.println(atomicLong.getAndAdd(10));
System.out.println(atomicLong.addAndGet(10));

本示例将打印出 0 和 20。例子中，第二行拿到的是加 10 之前的 AtomicLong 的值。加 10 之前的值是 0。第三行将 AtomicLong 的值再加 10，并返回加操作之后的值。该值现在是为 20。

你当然也可以使用这俩方法为 AtomicLong 添加负值。结果实际是一个减法操作。

getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法类似于 getAndAdd() 和 addAndGet()，但每次只将 AtomicLong 的值加 1。

减小 AtomicLong 的值

AtomicLong 类还提供了一些减小 AtomicLong 的值的原子性方法。这些方法是：

decrementAndGet()
getAndDecrement()

decrementAndGet() 将 AtomicLong 的值减一，并返回减一后的值。getAndDecrement() 也将 AtomicLong 的值减一，但它返回的是减一之前的值。

6. 原子性引用型 AtomicReference

AtomicReference 提供了一个可以被原子性读和写的对象引用变量。原子性的意思是多个想要改变同一个 AtomicReference 的线程不会导致 AtomicReference 处于不一致的状态。AtomicReference 还有一个 compareAndSet() 方法，通过它你可以将当前引用于一个期望值(引用)进行比较，如果相等，在该 AtomicReference 对象内部设置一个新的引用。

创建一个 AtomicReference

创建 AtomicReference 如下：

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference();

如果你需要使用一个指定引用创建 AtomicReference，可以：

String initialReference = "the initially referenced string";
AtomicReference atomicReference = new AtomicReference(initialReference);

创建泛型 AtomicReference

你可以使用 Java 泛型来创建一个泛型 AtomicReference。示例：

AtomicReference<String> atomicStringReference =  new AtomicReference<String>();

你也可以为泛型 AtomicReference 设置一个初始值。示例：

String initialReference = "the initially referenced string";
AtomicReference<String> atomicStringReference =  new AtomicReference<String>(initialReference);

获取 AtomicReference 引用

你可以通过 AtomicReference 的 get() 方法来获取保存在 AtomicReference 里的引用。如果你的 AtomicReference 是非泛型的，get() 方法将返回一个 Object 类型的引用。如果是泛型化的，get() 将返回你创建 AtomicReference 时声明的那个类型。

先来看一个非泛型的 AtomicReference get() 示例：

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference("first value referenced");
String reference = (String) atomicReference.get();

注意如何对 get() 方法返回的引用强制转换为 String。
泛型化的 AtomicReference 示例：

AtomicReference<String> atomicReference =   new AtomicReference<String>("first value referenced");
String reference = atomicReference.get();

编译器知道了引用的类型，所以我们无需再对 get() 返回的引用进行强制转换了。

设置 AtomicReference 引用

你可以使用 get() 方法对 AtomicReference 里边保存的引用进行设置。如果你定义的是一个非泛型 AtomicReference，set() 将会以一个 Object 引用作为参数。如果是泛型化的 AtomicReference，set() 方法将只接受你定义给的类型。

AtomicReference set() 示例：

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference();
atomicReference.set("New object referenced");

这个看起来非泛型和泛型化的没啥区别。真正的区别在于编译器将对你能够设置给一个泛型化的 AtomicReference 参数类型进行限制。

比较并设置 AtomicReference 引用

AtomicReference 类具备了一个很有用的方法：compareAndSet()。compareAndSet() 可以将保存在 AtomicReference 里的引用于一个期望引用进行比较，如果两个引用是一样的(并非 equals() 的相等，而是 == 的一样)，将会给AtomicReference 实例设置一个新的引用。

如果 compareAndSet() 为 AtomicReference 设置了一个新的引用，compareAndSet() 将返回 true。否则compareAndSet() 返回 false。

AtomicReference compareAndSet() 示例：

String initialReference = "initial value referenced";  AtomicReference<String> atomicStringReference =  new AtomicReference<String>(initialReference);  String newReference = "new value referenced";
boolean exchanged = atomicStringReference.compareAndSet(initialReference, newReference);
System.out.println("exchanged: " + exchanged);  exchanged = atomicStringReference.compareAndSet(initialReference, newReference);
System.out.println("exchanged: " + exchanged);

本示例创建了一个带有一个初始引用的泛型化的 AtomicReference。之后两次调用 comparesAndSet()来对存储值和期望值进行对比，如果二者一致，为 AtomicReference 设置一个新的引用。第一次比较，存储的引用(initialReference)和期望的引用(initialReference)一致，所以一个新的引用(newReference)被设置给 AtomicReference，compareAndSet() 方法返回 true。第二次比较时，存储的引用(newReference)和期望的引用(initialReference)不一致，因此新的引用没有被设置给 AtomicReference，compareAndSet() 方法返回 false。