聊聊高并发（二十）解析java.util.concurrent各个组件（二） 12个原子变量相关类

这篇说说java.util.concurrent.atomic包里的类，总共12个，网上有很多文章解析这几个类，这里挑些重点说说。

这12个类可以分为三组：

1. 普通类型的原子变量

2. 数组类型的原子变量

3. 域更新器

普通类型的原子变量的6个，

1. 其中AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference分别对应boolean, int, long, object完成基本的原子操作

2. AtomicMarkableReference, AtomicStampedReference是AtomicReference的功能增强版本，前者可以把引用跟一个boolean绑定，后者可以把引用和一个int型的版本号绑定来完成时间戳的功能。

AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong, AtomicReference这几个类的结构都相似，有几个特点

1. 底层都是采用sun.misc.Unsafe类来完成实际的CAS操作

2. 使用sun.misc.Unsafe直接操作内存对象来完成类似反射机制的对象属性存取能力

3. volatile类型的value值保存状态

4. 原子的get(), set()方法

5. 基本的compareAndSet方法完成CAS操作

6. weakCompareAndSet，弱化版本的CAS操作，这是API设计是预留地差异化接口，但是目前没有实现，目前和compareAndSet是一样的功能

7. getAndSet方法是利用CAS操作无锁地完成读取并设置的功能

8. lazySet方法优化设置，lazySet的使用看这篇聊聊高并发（十八）理解AtomicXXX.lazySet方法

原子变量在并发编程中是基本的工具，可以用来实现非阻塞的数据结构和构建相关的基础构件。有几种基本的用法：

1. 安全的计数器

2. compareAndSet方法可以实现“滤网”的功能，找到第一个成功操作的线程，从而做一些操作，可以看看自旋锁相关的实现

3. compareAndSet方法可以实现“判断操作是否成功”的功能，这里会有ABA的问题，可以采用AtomicStampedReference来避免ABA问题

4. getAndSet方法可以实现完全的“设置并返回之前值”的功能

5. AtomicBoolean作为一种二元状态可以用来作为“开关”，实现找到一个打开开关的线程。比如 if(b.compareAndSet(false, true)){// dosomething}

来看几个典型的操作

public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 4654671469794556979L;
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
// 使用Unsafe直接操作内存的方式设置属性的值
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicBoolean.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 使用volatile变量来保存状态
private volatile int value;
// 使用Unsafe的compareAndSwapXXX方法完成底层的CAS操作
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
int e = expect ? 1 : 0;
int u = update ? 1 : 0;
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}
// 无锁地实现“设置并返回之前值”的功能，无锁的特点就是轮询加CAS操作
public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
for (;;) {
boolean current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))
return current;
}
}
// 优化volatie变量的写，再不需要保证可见性的场景下使用lazySet来优化，减少内存屏障
public final void lazySet(boolean newValue) {
int v = newValue ? 1 : 0;
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, v);
}

AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference都是对AtomicReference的增强，内部使用了不可变对象来保存一个二元状态<Reference, XXX>，当原子设置时，就创建新的对象，并把volaitle引用指向最新的不可变对象。更多内容请查看聊聊高并发（十二）分析java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference源码来看如何解决CAS的ABA问题

AtomicMarkableReference可以用来标记对象，常用来构建数据结构中表示节点，可以用boolean表示节点是否被删除

public class AtomicMarkableReference<V> {
private static class Pair<T> {
final T reference;
final boolean mark;
private Pair(T reference, boolean mark) {
this.reference = reference;
this.mark = mark;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) {
return new Pair<T>(reference, mark);
}
}
private volatile Pair<V> pair;
public AtomicMarkableReference(V initialRef, boolean initialMark) {
pair = Pair.of(initialRef, initialMark);
}
public boolean compareAndSet(V expectedReference,
V newReference,
boolean expectedMark,
boolean newMark) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
expectedMark == current.mark &&
((newReference == current.reference &&
newMark == current.mark) ||
casPair(current, Pair.of(newReference, newMark)));
}

数组类型的原子变量有3个: AtomicIntegerArray, AtomicLongArray, AtomicReferenceArray, 它们是普通原子变量的数组版本，可以完成对数组中元素的原子操作。

基本的方法和普通原子类型类似，这里就不重复说了，提一下利用Unsafe读取数组元素的方法

1. 利用Unsafe.arrayBaseOffset得到数组的第一个元素的偏移量，因为有对象头的存在，所以offset不是从0开始

2. 利用Unsafe.arrayIndexScale得到数组中元素的长度

3. 利用移位操作代替乘法提高效率。所以先计算shift，比如8字节长度的元素，需要左移3位，相当与2的3次幂，4字节长度的元素左移2位，相当于2的2次幂

4. 计算数组中元素的实际位置 = index << shift + base，说白了，就是 index * 元素长度 + base

public class AtomicIntegerArray implements java.io.Serializable {
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// 获得数组第一个元素的偏移量offset，因为有对象头的存在，所以offset不是从0开始的
private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
// 移位操作的基数，用移位操作代替乘法
private static final int shift;
private final int[] array;
static {
// 获取数组元素的长度，对于int[]数组， scale = 4
int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
// 如果长度不是为2的幂，就报错
if ((scale & (scale - 1)) != 0)
throw new Error("data type scale not a power of two");
// 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale) 相当于求floor(log2(x)),这里为2，如果是Long,就是3
// 其实就是用移位操作代替乘法，比如4字节长度，就要左移2位，8字节长度，就要左移3位。左移1位 = 乘 2
shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
}
private long checkedByteOffset(int i) {
if (i < 0 || i >= array.length)
throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);
return byteOffset(i);
}
// 用移位操作代替乘法，实际上求的是数组的第i个元素的偏移量，方便定位到数组元素的内存地址
private static long byteOffset(int i) {
return ((long) i << shift) + base;
}

最后看看域更新器，有三个: AtomicIntegerFieldUpdate, AtomicLongFieldUpdate, AtomicReferenceFieldUpdate

域更新器是一种优化手段，它提供了现有volatile域的一种基于反射的视图，从而能对现有volatile域进行CAS操作，我们知道volatile字段只保证可见性，但是不保证原子性，

如果要想对volatile字段进行CAS操作，就要用到域更新器。它的好处是可以让volatile字段具备原子变量的能力，而不需要实际创建这么多的原子变量，毕竟volatile比起原子变量来说还是轻量级的。

域更新器没有提供对外的构造函数，它需要利用工厂方法的方式来创建，提供一个newUpdater(xxx)方法来返回一个新建的域更新器对象。

1. tclass指的是字段所在类的Class类型

2. vclass指的是字段的Class类型，需要注意的是字段必须是volatile标示的，不然会抛出异常

3. filedName字段名

4. 调用者的类型，可以用Reflection.getCallerClass()获得

public static <U, W> AtomicReferenceFieldUpdater<U,W> newUpdater(Class<U> tclass, Class<W> vclass, String fieldName) {
return new AtomicReferenceFieldUpdaterImpl<U,W>(tclass,
vclass,
fieldName,
Reflection.getCallerClass());
}
AtomicReferenceFieldUpdaterImpl(Class<T> tclass,
Class<V> vclass,
String fieldName,
Class<?> caller) {
Field field = null;
Class fieldClass = null;
int modifiers = 0;
try {
field = tclass.getDeclaredField(fieldName);
modifiers = field.getModifiers();
sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(
caller, tclass, null, modifiers);
sun.reflect.misc.ReflectUtil.checkPackageAccess(tclass);
fieldClass = field.getType();
} catch (Exception ex) {
throw new RuntimeException(ex);
}
if (vclass != fieldClass)
throw new ClassCastException();
if (!Modifier.isVolatile(modifiers))
throw new IllegalArgumentException("Must be volatile type");
this.cclass = (Modifier.isProtected(modifiers) &&
caller != tclass) ? caller : null;
this.tclass = tclass;
if (vclass == Object.class)
this.vclass = null;
else
this.vclass = vclass;
offset = unsafe.objectFieldOffset(field);
}

AtomicIntegerFieldUpdate这些更新器的接口和原子变量一致，都提供了compareAndSet操作，getAndSet操作等，这里不重复说。举个例子看看如何使用域更新器

1. Node类有一个volatile类型的next字段，它没有使用AtomicReference，使用了更轻量级的volatile

2. 如果想对volatile类型的next做CAS操作，就要创建域更新器AtomicReferenceFieldUpdater

private class Node<E>{
private final E item;
private volatile Node<E> next;
public Node(E item){
this.item = item;
}
}
private static AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Node> nextUpdate = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Node.class, Node.class, "next");

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