java.util.concurrent.atomic原子操作类包

     这个包里面提供了一组原子变量类。其基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时执行这些类的实例包含的方法时，具有排他性，即当某个线程进入方法，执行其中的指令时，不会被其他线程打断，而别的线程就像自旋锁一样，一直等到该方法执行完成，才由JVM从等待队列中选择一个另一个线程进入，这只是一种逻辑上的理解。实际上是借助硬件的相关指令来实现的，不会阻塞线程(或者说只是在硬件级别上阻塞了)。可以对基本数据、数组中的基本数据、对类中的基本数据进行操作。原子变量类相当于一种泛化的volatile变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。

    java.util.concurrent.atomic中的类可以分成4组：

• 标量类（Scalar）：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
• 数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
• 更新器类：AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater
• 复合变量类：AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

第一组AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference这四种基本类型用来处理布尔，整数，长整数，对象四种数据，其内部实现不是简单的使用synchronized，而是一个更为高效的方式CAS (compare and swap) + volatile和native方法，从而避免了synchronized的高开销，执行效率大为提升。如AtomicInteger的实现片断为：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private volatile int value;
public final int get() {
        return value;
}
public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
	return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

• 构造函数（两个构造函数）
  • 默认的构造函数：初始化的数据分别是false，0，0，null
  • 带参构造函数：参数为初始化的数据
• set( )和get( )方法：可以原子地设定和获取atomic的数据。类似于volatile，保证数据会在主存中设置或读取
• void set()和void lazySet()：set设置为给定值，直接修改原始值；lazySet延时设置变量值，这个等价于set()方法，但是由于字段是volatile类型的，因此次字段的修改会比普通字段（非volatile字段）有稍微的性能延时（尽管可以忽略），所以如果不是想立即读取设置的新值，允许在“后台”修改值，那么此方法就很有用。
• getAndSet( )方法
  • 原子的将变量设定为新数据，同时返回先前的旧数据
  • 其本质是get( )操作，然后做set( )操作。尽管这2个操作都是atomic，但是他们合并在一起的时候，就不是atomic。在Java的源程序的级别上，如果不依赖synchronized的机制来完成这个工作，是不可能的。只有依靠native方法才可以。

      public final int getAndSet(int newValue) {
          for (;;) {
              int current = get();
              if (compareAndSet(current, newValue))
                  return current;
          }
      }

• compareAndSet( ) 和weakCompareAndSet( )方法
  • 这 两个方法都是conditional modifier方法。这2个方法接受2个参数，一个是期望数据(expected)，一个是新数据(new)；如果atomic里面的数据和期望数据一 致，则将新数据设定给atomic的数据，返回true，表明成功；否则就不设定，并返回false。JSR规范中说：以原子方式读取和有条件地写入变量但不 创建任何 happen-before 排序，因此不提供与除 weakCompareAndSet 目标外任何变量以前或后续读取或写入操作有关的任何保证。大意就是说调用weakCompareAndSet时并不能保证不存在happen- before的发生（也就是可能存在指令重排序导致此操作失败）。但是从Java源码来看，其实此方法并没有实现JSR规范的要求，最后效果和 compareAndSet是等效的，都调用了unsafe.compareAndSwapInt()完成操作。

  public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
  	return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
  }
  public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
  	return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
  }

   
• 对于 AtomicInteger、AtomicLong还提供了一些特别的方法。
  getAndIncrement( )：以原子方式将当前值加 1，相当于线程安全的i++操作。
  incrementAndGet( )：以原子方式将当前值加 1， 相当于线程安全的++i操作。
  getAndDecrement( )：以原子方式将当前值减 1， 相当于线程安全的i--操作。
  decrementAndGet ( )：以原子方式将当前值减 1，相当于线程安全的--i操作。
  addAndGet( )： 以原子方式将给定值与当前值相加， 实际上就是等于线程安全的i =i+delta操作。
  getAndAdd( )：以原子方式将给定值与当前值相加， 相当于线程安全的t=i;i+=delta;return t;操作。
  以实现一些加法，减法原子操作。(注意 --i、++i不是原子操作，其中包含有3个操作步骤：第一步，读取i；第二步，加1或减1；第三步：写回内存)

使用AtomicReference创建线程安全的堆栈

package thread;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
public class ConcurrentStack<T> {
	private AtomicReference<Node<T>>	stacks	= new AtomicReference<Node<T>>();
	public T push(T e) {
		Node<T> oldNode, newNode;
		for (;;) { // 这里的处理非常的特别，也是必须如此的。
			oldNode = stacks.get();
			newNode = new Node<T>(e, oldNode);
			if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {
				return e;
			}
		}
	}	
	public T pop() {
		Node<T> oldNode, newNode;
		for (;;) {
			oldNode = stacks.get();
			newNode = oldNode.next;
			if (stacks.compareAndSet(oldNode, newNode)) {
				return oldNode.object;
			}
		}
	}	
	private static final class Node<T> {
		private T		object;		
		private Node<T>	next;		
		private Node(T object, Node<T> next) {
			this.object = object;
			this.next = next;
		}
	}	
}

    虽然原子的标量类扩展了Number类，但并没有扩展一些基本类型的包装类，如Integer或Long，事实上他们也不能扩展：基本类型的包装类是不可以修改的，而原子变量类是可以修改的。在原子变量类中没有重新定义hashCode或equals方法，每个实例都是不同的，他们也不宜用做基于散列容器中的键值。 

      第二组AtomicIntegerArray，AtomicLongArray还有AtomicReferenceArray类进一步扩展了原子操作，对这些类型的数组提供了支持。这些类在为其数组元素提供 volatile 访问语义方面也引人注目，这对于普通数组来说是不受支持的。

他们内部并不是像AtomicInteger一样维持一个valatile变量，而是全部由native方法实现，如下
AtomicIntegerArray的实现片断：

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
private static final int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
private final int[] array;
public final int get(int i) {
        return unsafe.getIntVolatile(array, rawIndex(i));
}
public final void set(int i, int newValue) {
        unsafe.putIntVolatile(array, rawIndex(i), newValue);
}

 

第三组AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater基于反射的实用工具，可以对指定类的指定 volatile 字段进行原子更新。API非常简单，但是也是有一些约束：

（1）字段必须是volatile类型的

（2）字段的描述类型（修饰符public/protected/default/private）是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说 调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。

（3）只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。

（4）只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的，这两个关键字不能同时存在。

（5）对于AtomicIntegerFieldUpdater 和AtomicLongFieldUpdater 只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型（Integer/Long）。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater 。

 netty5.0中类ChannelOutboundBuffer统计发送的字节总数，由于使用volatile变量已经不能满足，所以使用AtomicIntegerFieldUpdater 来实现的，看下面代码：

//定义
    private static final AtomicLongFieldUpdater<ChannelOutboundBuffer> TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER =
            AtomicLongFieldUpdater.newUpdater(ChannelOutboundBuffer.class, "totalPendingSize");

    private volatile long totalPendingSize;



//使用
        long oldValue = totalPendingSize;
        long newWriteBufferSize = oldValue + size;
        while (!TOTAL_PENDING_SIZE_UPDATER.compareAndSet(this, oldValue, newWriteBufferSize)) {
            oldValue = totalPendingSize;
            newWriteBufferSize = oldValue + size;
        }