高级并发编程系列之什么是原子类

本篇内容介绍了“高级并发编程系列之什么是原子类”的有关知识，在实际案例的操作过程中，不少人都会遇到这样的困境，接下来就让小编带领大家学习一下如何处理这些情况吧！希望大家仔细阅读，能够学有所成！

1.考考你

相信作为资深程序员的你，对于AtomicInteger这样的类，即以Atomic开始的类一定不会感到陌生。我们在翻看很多框架源码、或者第三方组件都会经常看到它们，如影随形。

那么问题来了，像Atomicxxx这样的类，到底是什么意思呢？从字面意思比较好理解，Atomic即原子性，那么Atomicxxx即原子类。讲到这里，你一定还记得我们说过线程安全的三个基本要素，我们一起来回顾一下：可见性、原子性、有序性。原子类的原子性，讲的就是这个原子性，于是你可以先记住一个结论：原子类，它是线程安全的类。

到这里有朋友可能会提出质疑：你说线程安全，就线程安全吗？我不服，你没有讲清楚。我不听，我不听......好吧，看官们莫急，且听我一步一步分析，娓娓道来，话说......

#考考你：
1.你真的理解原子类的核心思想吗
2.你在你的项目中，有直接用到过原子类吗

2.案例

2.1.自增操作案例

2.1.1.普通变量版本

案例描述：

• 定义一个普通的int型变量value，初始值为：0

• 开启两个线程thread_1，thread_2并行执行value++操作

• 每个线程执行 5000次，预期执行结果： 2 * 5000 = 10000次

• 通过观察最终执行结果，是否等于预期10000次

• 结果不相等，说明线程不安全，原因是：value++操作不是一个原子性操作

package com.anan.edu.common.newthread.atomic;

/**
 * 普通 int变量 ++ 操作，非原子性，线程不安全
 *
 * @author ThinkPad
 * @version 1.0
 * @date 2020/11/29 8:27
 */
public class CommonIntDemo {

    /**
     * 普通成员变量
     */
    private int value = 0;

    public  void addValue(){
        value++;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1.创建CommonIntDemo对象
        CommonIntDemo demo = new CommonIntDemo();

        // 2.创建2两个线程，每个线程调用方法addValue 5000次
        // 预期value值结果等于：2 * 5000 = 10000
        int loopEnd = 5000;
        Thread thread_1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < loopEnd; i++){
                demo.addValue();
            }
        }, "thread_1");

        Thread thread_2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < loopEnd; i++){
                demo.addValue();
            }
        }, "thread_2");

        // 3.启动执行线程
        thread_1.start();
        thread_2.start();

        // 4.主线程等待子线程执行完成，打印value值
        thread_1.join();
        thread_2.join();

        System.out.println("int型成员变量value最终结果：" + demo.value);
    }
}

执行结果分析：

2.1.2.AtomicInteger版本

案例描述：

• 定义一个AtomicInteger变量value，初始值为：0

• 开启两个线程thread_1，thread_2并行执行value.incrementAndGet()操作

• 每个线程执行 5000次，预期执行结果： 2 * 5000 = 10000次

• 通过观察最终执行结果，是否等于预期10000次

• 结果相等，说明线程安全，原因是：原子类同时满足了可见性、与原子性

package com.anan.edu.common.newthread.atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 原子类AtomicInteger，实现自增操作，线程安全
 *
 * @author ThinkPad
 * @version 1.0
 * @date 2020/11/29 8:27
 */
public class AtomicIntegerDemo {

    /**
     * AtomicInteger成员变量
     */
    private AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);

    public  void addValue(){
        value.incrementAndGet();
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 1.创建AtomicIntegerDemo对象
        AtomicIntegerDemo demo = new AtomicIntegerDemo();

        // 2.创建2两个线程，每个线程调用方法addValue 5000次
        // 预期value值结果等于：2 * 5000 = 10000
        int loopEnd = 5000;
        Thread thread_1 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < loopEnd; i++){
                demo.addValue();
            }
        }, "thread_1");

        Thread thread_2 = new Thread(() -> {
            for(int i = 0; i < loopEnd; i++){
                demo.addValue();
            }
        }, "thread_2");

        // 3.启动执行线程
        thread_1.start();
        thread_2.start();

        // 4.主线程等待子线程执行完成，打印value值
        thread_1.join();
        thread_2.join();

        System.out.println("AtomicInteger型成员变量value最终结果：" + demo.value);
    }
}

执行结果分析：

2.2.原子类底层原理分析

2.2.1.再次分析线程安全核心思想

通过比较普通类型int型变量自增操作，与原子型AtomicInteger型变量自增操作。我们看到应用层代码几乎没有差异，仅仅是通过AtomicInteger替换int实现自增操作，即保证了线程安全。那么AtomicInteger它是如何做到的呢？

要分析清楚AtomicInteger底层原理，还需要回到我们说过的线程安全基本要素：可见性、原子性、有序性。就是说不管通过什么手段，要实现线程安全，一定要满足这三个基本要素，换句话说，满足了三个基本要素，也即实现了线程安全。

那么我们就从这三个要素开始分析。首先看最容易理解的有序性，你还记得什么是有序性吗？它是说线程内有序，线程之间无序。有序性比较好理解，我们就不过多解释了。

再来看可见性，同样你还记得什么是可见性吗？我们知道jmm内存模型，每个线程都有自己的私人空间（工作内存），所有线程共享公共空间（主内存）。那么如果要保证某个变量在线程间的可见性，即当线程A操作该变量后，需要同步将变量值从私人空间同步到公共空间：工作内存--->主内存；同理其它线程在操作变量前，需要从公共空间将变量值同步到私人空间：主内存--->工作内存。java编程语法上给我们提供了一个关键字：volatile。用于实现可见性。你可能还需要下面这个图：

最后再来看原子性，原子性你应该还记得，我们上一篇：高级并发编程系列十二（一文搞懂cas）刚刚分享过。cas本质上是不到黄河心不死，什么意思呢？即是不释放cpu，循环操作，直到操作成功为止。我们是这么解释的，你也应该还记得对吧。而且我们还说过对于cas，它的操作原理是三个值：内存值A、期望值B、更新值C。每次操作都会比较内存值A，是否等于期望值B、如果等于则将内存值更新成值C，操作成功；如果内存值A，不等于期望值B，则操作失败，进行下一次循环操作。你可能还需要下面这个图：

好了到这里，我们可以一起来看AtomicInteger的源码了。看看是否满足我们说的可见性、原子性。进一步分析清楚AtomicInteger类线程安全的实现原理。下面我们通过截图+文字描述的方式，方便你理解。

2.2.2.AtomicInteger类声明

先来看AtomicInteger类的声明，这一块对于不熟悉的朋友可能比较难看懂，我们先截图看一下。

2.2.3.方法incrementAndGet分析

通过类声明部分源码，我们看到线程安全的可见性，通过volatile关键字修饰value成员变量，已经有了保障。那么原子性，又是如何保障的呢？答案是通过Unsafe工具类，进行cas操作来保障的。看图：

2.3.juc原子类分类

相信通过上面的分析，你已经理解了原子类线程安全的底层实现原理，如果你理解起来稍微还有点难度，我建议你多看两遍。对于一个程序员来说，我们不应该只会用用框架，底层思想和原理才是内功。

那么关于原子类的底层分析，我们暂时放一放，下面我们一起来看一下juc包中提供的常见原子能力工具类。它们每一个的底层原理，都在上面分析过了，我就不再逐一分析了，只是简单的列举出来，如果你感兴趣的话，可以找一两个按照我上面的分析思路，自己分析一下，应该会有意想不到的惊喜！

• 基本原子类，代表：AtomicInteger、AtomicLong

• 数组原子类，代表：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray

• 引用原子类，代表：AtomicReference<V>。关于引用原子类，稍微加一句：它可以把一个普通对象，包装成具有原子能力的对象

• 提供升级能力原子类，代表：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater

• 累加器原子类，代表：LongAdder。关于累加器，稍微多加一句：它是jdk1.8开始后新加入的小伙伴，性能比起AtomicLong来说杠杠的。

“高级并发编程系列之什么是原子类”的内容就介绍到这里了，感谢大家的阅读。如果想了解更多行业相关的知识可以关注亿速云网站，小编将为大家输出更多高质量的实用文章！