背景

我们知道 volatile 关键字虽然轻量级，但不能保证原子性，synchronized 可以保证原子性，但是比较重量级。

那么有没有一种简单的、性能高的方法来保证 Java 的原子操作呢？答案当然是有的。

在 JDK1.5 时期， Java 家族加入了 Atomic 包。

原子类（Atomic Classes）

Java 中提供了对应的原子操作类来实现原子地且有条件进行的读-改-写操作操作。其本质是利用了 CPU 级别的原子指令。由于原子类是基于 CPU 级别的指令，因此其开销比需要操作系统参与的锁的开销小。

CAS 算法

CAS （比较与交换，Compare and swap）算法是一种非阻塞算法（non-blocking algorhithm），同时也是一种无锁算法（lock-free algorhithm），基于乐观并发（pessimistic concurrent control）的思想。

非阻塞版本相对于基于锁的版本有几个性能优势。首先，它用硬件的原生形态代替 JVM 的锁定代码路径，从而在更细的粒度层次上（独立的内存位置）进行同步，失败的线程也可以立即重试，而不会被挂起后重新调度。更细的粒度降低了争用的机会，不用重新调度就能重试的能力也降低了争用的成本。即使有少量失败的 CAS 操作，这种方法仍然会比由于锁争用造成的重新调度快得多。

以 Atomic 类中的 incrementAndGet() 方法为例，其内部就调用了Unsafe中的 native 方法（CompareAndSet）以实现递增数值：

private volatile int value;
public final int get() {
        return value;
    }
/**
 * Atomically increments by one the current value.
 *
 * @return the updated value
 */
public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

我们来分析下incrementAndGet的逻辑：

先获取当前的value值
对value加一
第三步是关键步骤，调用compareAndSet方法来进行一个原子更新操作，这个方法的语义是：先检查当前value是否等于current，如果相等，则意味着value没被其他线程修改过，更新并返回true。如果不相等，compareAndSet则会返回false，然后循环继续尝试更新。

AtomicInteger 例子

比如，AtomicInteger 表示一个 int 类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的 int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子地添加、递增和递减等方法。

AtomicInteger 的使用方法如下：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
for(int b = 0; b < numThreads; b++) {
  new Thread(() -> {
    for(int a = 0; a < iteration; a++) {
      atomicInteger.incrementAndGet();
    }
  }).start();
}

原子基本类型

原子基本类型，从名称上就可以看出，是为基本类型提供原子操作的类。它们是以下3位：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

我们来看看 AtomicInteger 中的一些常用方法。

int getAndSet(int newValue)：以原子方式更新，并且返回旧值。
int getAndIncrement()：以原子方式自增，返回的是自增前的值。
int addAndGet(int delta)：以原子方式，将当前值与输入值相加，返回的是计算后的值。

原子数组

下面的类是为数组中某个元素的更新提供原子操作的类。

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

我们来看看 AtomicIntegerArray 中的一些常用方法：

int getAndSet(int i, int newValue)：更新对应位置的值，返回更新前的值。
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：比较对应位置的值与期望值，如果相等，则更新，返回true。如果不能返回false。
int getAndIncrement(int i)：对位置i的元素以原子方式自增，返回更新前的值。
int getAndAdd(int i, int delta)：对位置i的元素以原子方式计算，返回更新前的值。

原子引用类型

如果我们只需要某个类里的某个字段，也就是说让普通的变量也享受原子操作，可以使用原子更新字段类，如在某些时候由于项目前期考虑不周全，项目需求又发生变化，使得某个类中的变量需要执行多线程操作，由于该变量多处使用，改动起来比较麻烦，而且原来使用的地方无需使用线程安全，只要求新场景需要使用时，可以借助原子更新器处理这种场景，Atomic并发包提供了以下三个类：

AtomicReference
AtomicReferenceFieldUpdater
- FieldUpdater方便以原子方式更新对象中的字段，字段不需要声明为原子变量，FieldUpdater是基于反射机制实现的。
AtomicMarkableReference

原子更新字段类

前文提到了AtomicReferenceFieldUpdater类，它更新的是类的字段，除了这个类，Atomic还提供了另外三个类用于更新类中的字段：

AtomicIntegerFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater
AtomicStampedReference

Reference

Java原子操作类，知多少？ - https://zhuanlan.zhihu.com/p/42908787
Java atomic原子类的使用方法和原理（一） - https://www.jianshu.com/p/a2f3c46d4783
非阻塞算法简介 - https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp04186/
Java并发编程-无锁CAS与Unsafe类及其并发包Atomic - https://juejin.im/entry/595c599e6fb9a06bc6042514
Java原子类实现原理分析 - https://www.cnblogs.com/chengxiao/p/6789109.html

【Java】多线程 - 原子类（Atomic Classes）

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