Java多线程基础总结五：atomic

   在简单介绍java.util.concurrent.atomic包之前，有个概念要先抄袭熟悉一遍：CAS(比较并交换)。现在大多数的处理器都提供对并发 访问的支持，这个支持的反映方式就是提供硬件的指令支持多处理的特殊需求。比如检测或者阻止其它处理器的并发访问来更新共享变量的 指令。对于 Intel x86架构的处理器来说就是通过提供实现CAS或者比较并设置的硬件原语指令集。CAS操作的三个操作数：内存位置（V） ，预期原值（A）和新值（B）。执行的过程通常是：预测内存地址V应该包含值A，如果包含则将值B替换到位置V；否则，不更改任何值，告 知地址V的当前值。CAS对待“读－修改－写”的操作一般是检测这个过程是否有其它的线程在修改变量，如果有那么这次的CAS操作失败， 可以尝试重新进行CAS。讲到这里似乎感觉比 Synchronized还复杂，是否意味着成本不小呢？答案是否。因为它是硬件原生实现的，极为轻 量级的无锁同步方式。就好像高清解码一样，GPU原生硬件解码比软解的CPU占用优势那是相当的不一样啊！
   说到硬件我就想到最近狂能争论的使用64位操作系统的优势。现在处理器多数支持64位，意味着处理器的寄存器映射到内存的寻址空间 大大的大了，操作系统 64位的架构或许在内存管理上的挑战更大了，没有好的内存压缩技术，大内存只能是大浪费。同时还表示如果三方 软件开发者对64位系统内存管理不熟悉，软件变垃圾的概率变大了。没有好的64位三方软件的繁荣，操作系统仅仅作为一个支撑软件运行的 平台能干什么呢?所以使用优势不在操作系统本身而在于平台之上的软件。又扯远了，哎...
   JDK5以后在java.util.concurrent.atomic包下提供了十几个原子类。常见的是 AtomicInteger,AtomicLong,AtomicReference以及它们 的数组形式，还有AtomicBoolean和为了处理 ABA问题引入的AtomicStampedReference类，最后就是基于反射的对volatile变量进行更新的 实用工具类：AtomicIntegerFieldUpdater,AtomicLongFieldUpdater,AtomicReferenceFieldUpdater。这些原子类理论上能够大幅的提升性 能。并且java.util.concurrent内的并发集合，线程池，执行器，同步器的内部实现大量的依赖这些无锁原子类，从而争取性能的最大化。 下面通过一个简单的例子看看：

package thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class AtomicCounterSample extends Thread {
	private AtomicCounter atomicCounter;

	public AtomicCounterSample(AtomicCounter atomicCounter) {
		this.atomicCounter = atomicCounter;
	}

	@Override
	public void run() {
		long sleepTime = (long) (Math.random() * 100);
		try {
			Thread.sleep(sleepTime);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}

		atomicCounter.counterIncrement();
	}

	public static void main(String[] args) throws Exception {
		AtomicCounter atomicCounter = new AtomicCounter();

		for (int i = 0; i < 5000; i++) {
			new AtomicCounterSample(atomicCounter).start();
		}

		Thread.sleep(3000);

		System.out.println("counter=" + atomicCounter.getCounter());
	}
}

class AtomicCounter {
	private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

	public int getCounter() {
		return counter.get();
	}

	public void counterIncrement() {
		for (;;) {
			int current = counter.get();
			int next = current + 1;
			if (counter.compareAndSet(current, next))
				return;
		}
	}
}

class AtomicCounter2 {
	private volatile int counter;
	private static final AtomicIntegerFieldUpdater<AtomicCounter2> counterUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater
			.newUpdater(AtomicCounter2.class, "counter");

	public int getCounter() {
		return counter;
	}

	public int counterIncrement() {
		// return counter++;
		return counterUpdater.getAndIncrement(this);
	}
}

  这个例子实现了原子计数器的两个版本：AtomicCounter，AtomicCounter2。AtomicCounterSample作为 Thread的子类对共享变量 AtomicCounter或者AtomicCounter2内的counter变量进行增幅为1的递增。主函数的过程是开启5000线程，并且每个线程随机睡眠极短时间 后执行递增。所以线程安全的执行结果应该是5000。
首先看版本1：AtomicCounter内的共享变量使用了Integer的原子类代替，在get()方法中不使用锁，也不用担心获取的过程中别的线程 去改变counter的值，因为这些原子类可以看成volatile的范化扩展，可见性能够保证。而在counterIncrement()方法中揭示了使用原子类 的重要技巧：循环结合CAS。这个技巧可以帮助我们实现复杂的非阻塞并发集合。方法中的 counter.compareAndSet(current, next)就是原 子类使用的精髓－－CAS操作。compareAndSet(...)可以说是原子类搭积木的原材料，在循环中使用它可以让我们的并发程序昂首挺胸。
  再看版本2：AtomicCounter2内有个volatile的共享变量counter，并且有个类变量counterUpdater作为 counter的更新器。在 counterIncrement()里注释掉的代码是非线程安全的。而 counterUpdater.getAndIncrement(this)的内部实现其实和版本1的几乎一样。唯 一不同的是通过反射找到要原子操作更新的变量counter，但是“循环+CAS”的精髓是一样的。
   最后看看结果吧：版本1和版本2的无锁同步的执行分别20次均是5000，正确。版本2把无锁同步的代码注释，把已注释的非线程安全的代 码还原执行，平均每10次大概有1～2次出现<5000的数字。这个例子侧面证明了++的原子性操作非线程安全是保证不了的。因为“读－修 改－写”的操作碰到如下场景：线程A“读－修改”后“写”之前，线程B完成“读－修改－写”。这时候A,B的写值是重复的，这就造成了 结果<5000，又杯具了...

ref:http://www.bianceng.cn/Programming/Java/201206/34151.htm