Atomic 原子类总结

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Java 的 java.util.concurrent.atomic 包提供了一系列原子操作类，称为 Atomic 类，用于实现线程安全的基本类型操作。这些类依赖于底层的原子性操作（如 CAS 操作），能够在多线程环境中安全地执行变量更新，避免了使用传统的 synchronized 机制所带来的性能开销。

Atomic 类的关键优势是高效并发控制，它们允许在不使用锁的情况下，保证多个线程对共享变量的更新操作具有原子性。

1. Atomic 类概述

1.1 原子性（Atomicity）

原子性是指操作在执行时不可中断，执行过程中其他线程无法看到操作的中间状态。在 Java 中，原子类通常基于 CAS（Compare-And-Swap）机制，它能确保操作是 线程安全的，且在多线程环境中无锁地进行。

CAS 操作是 CPU 提供的原子操作，可以在单个硬件指令周期内比较和交换数据。原子类通过 CAS 来实现线程安全的更新。

1.2 不同的 Atomic 类

Java 提供了多种 Atomic 类来支持不同类型的变量更新，常见的有以下几种：

AtomicInteger：对 int 类型的原子更新。
AtomicLong：对 long 类型的原子更新。
AtomicBoolean：对 boolean 类型的原子更新。
AtomicReference：对对象引用的原子更新。
AtomicIntegerArray、AtomicLongArray：对数组中元素的原子更新。
AtomicMarkableReference 和 AtomicStampedReference：分别用于带标记和带时间戳的原子引用更新。

2. 常见的 Atomic 类及其方法

2.1 `AtomicInteger`

AtomicInteger 是对 int 类型变量进行原子更新的类。常用方法包括：

get()：获取当前值。
set(int newValue)：设置值。
getAndSet(int newValue)：获取当前值，并设置新值。
incrementAndGet()：将当前值加 1，并返回新值。
decrementAndGet()：将当前值减 1，并返回新值。
addAndGet(int delta)：将当前值加上给定的增量，并返回新值。
compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值等于期望值，则将其更新为新值；返回是否更新成功。

AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);
atomicInt.incrementAndGet(); // 1
atomicInt.addAndGet(5); // 6
atomicInt.compareAndSet(6, 10); // true, 更新成功

2.2 `AtomicLong`

AtomicLong 类类似于 AtomicInteger，但是它操作的是 long 类型的变量。它也具有类似的方法，如：

get()
set(long newValue)
getAndSet(long newValue)
incrementAndGet()
decrementAndGet()
addAndGet(long delta)
compareAndSet(long expect, long update)

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(1000);
atomicLong.addAndGet(500); // 1500
atomicLong.compareAndSet(1500, 2000); // true, 更新成功

2.3 `AtomicBoolean`

AtomicBoolean 类用于对 boolean 值进行原子操作。常用方法如下：

get()：获取当前值。
set(boolean newValue)：设置新值。
getAndSet(boolean newValue)：获取当前值并设置新值。
compareAndSet(boolean expect, boolean update)：如果当前值等于期望值，则将其更新为新值。

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);
atomicBoolean.set(false); // 设置为 false
atomicBoolean.compareAndSet(false, true); // true, 更新成功

2.4 `AtomicReference`

AtomicReference 用于原子地操作对象引用。常用方法如下：

get()：获取当前引用。
set(V newValue)：设置新引用。
getAndSet(V newValue)：获取当前引用并设置新引用。
compareAndSet(V expect, V update)：如果当前引用等于期望引用，则将其更新为新引用。

AtomicReference<String> atomicRef = new AtomicReference<>("Hello");
atomicRef.compareAndSet("Hello", "World"); // true, 更新成功
atomicRef.get(); // "World"

2.5 `AtomicIntegerArray` 和 `AtomicLongArray`

这些类分别用于原子地操作 int[] 和 long[] 数组中的元素。它们的方法类似于 AtomicInteger 和 AtomicLong，但是操作的是数组中的指定元素。

AtomicIntegerArray atomicArray = new AtomicIntegerArray(new int[] {1, 2, 3});
atomicArray.incrementAndGet(0); // atomicArray[0] = 2

2.6 `AtomicMarkableReference` 和 `AtomicStampedReference`

这两个类分别用于带有标记和带有时间戳的引用更新，适用于解决 ABA 问题。

AtomicMarkableReference：带有布尔标记，通常用于指示对象的状态。
AtomicStampedReference：带有时间戳，通常用于版本控制。

高效性：原子类通过底层的 CAS 操作避免了传统锁（如 synchronized 或 ReentrantLock）的开销，在高并发的场景下表现更好。
简洁性：原子类提供了简单的 API，开发者可以轻松实现线程安全的共享变量更新。
无锁机制：相比于传统的锁机制，原子类通过 CAS 操作实现线程安全，避免了锁的竞争和线程阻塞。

4.2 缺点

ABA 问题：CAS 操作可能会遇到 ABA 问题，即一个值可能被修改了多次，但最终的值还是原来的值，这在某些应用中可能导致错误。AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 可以帮助解决这个问题。
有限的功能：原子类仅提供一些简单的原子操作，不能处理复杂的同步场景。在复杂的并发控制需求下，可能还是需要使用更高级的同步机制（如 ReentrantLock）。

总结

Atomic 类提供了高效、无锁的线程安全变量操作。
这些类主要基于 CAS 操作，在简单场景下能够提高性能。
常见的 Atomic 类包括：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean、AtomicReference 等。
适用于高并发场景中的计数器、状态标志等场景，但对于复杂的同步场景，可能需要使用其他同步机制。

通过合理使用 Atomic 类，可以有效地提升 Java 并发程序的性能，避免了传统锁机制带来的性能瓶颈。

Atomic 原子类总结

1. Atomic 类概述

1.1 原子性（Atomicity）

1.2 不同的 Atomic 类

2. 常见的 Atomic 类及其方法

2.1 `AtomicInteger`

2.2 `AtomicLong`

2.3 `AtomicBoolean`

2.4 `AtomicReference`

2.5 `AtomicIntegerArray` 和 `AtomicLongArray`

2.6 `AtomicMarkableReference` 和 `AtomicStampedReference`

3. Atomic 类的应用场景

3.1 计数器

3.2 高效的并发控制

3.3 用于替代锁的同步器

3.4 在非阻塞算法中使用

4. Atomic 类的优缺点

4.1 优点

4.2 缺点

总结