Java并发工具-1-原子操作(Atomic)

一原子操作之 AtomicInteger

1 概念解释

什么是原子操作呢？所谓原子操作，就是一个独立且不可分割的操作。

AtomicInteger 工具类提供了对整数操作的原子封装。为什么要对整数操作进行原子封装呢？

在 java 中，当我们在多线程情况下，对一个整型变量做加减操作时，如果不加任何的多线程并发控制，大概率会出现线程安全问题，也就是说当多线程同时操作一个整型变量的增减时，会出现运算结果错误的问题。AtomicInteger 工具类就是为了简化整型变量的同步处理而诞生的。

大家记住，在多线程并发下，所有不是原子性的操作但需要保证原子性时，都需要进行原子操作处理，否则会出现线程安全问题。

概念已经了解了，那么 AtomicInteger 工具类怎么用呢？别急，最基本的用法请看下面的描述。

2 基本用法

// 首先创建一个 AtomicInteger 对象
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
// 在操作之前先赋值，如果不显式赋值则值默认为 0 ，就像 int 型变量使用前做初始化赋值一样。
atomicInteger.set(1000);
// 之后可以调用各种方法进行增减操作
...
// 获取当前值
atomicInteger.get();
// 先获取当前值，之后再对原值加100
atomicInteger.getAndAdd(100)
// 先获取当前值，之后再对原值减1
atomicInteger.getAndDecrement()
...

是不是很简单，AtomicInteger 在我们日常实践中，到底应该应用在哪些场合比较合适呢？下面我们给出最常用的场景说明。

3 常用场景

AtomicInteger 经常用于多线程操作同一个整型变量时，简化对此变量的线程安全控制的场合。当在研发过程中遇到这些场景时，就可以考虑直接使用 AtomicInteger 工具类辅助实现，完全可以放弃使用 synchronized 关键字做同步控制。

下面我们用 AtomicInteger 工具实现电影院某场次电影票销售的例子。

在这里插入图片描述

4 场景案例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerTest {

    // 首先创建一个 AtomicInteger 对象
    // 代表《神龙晶晶兽》电影上午场次当前可售的总票数 10 张
    private static AtomicInteger currentTicketCount = new AtomicInteger(10);
    // 主程序
    public static void main(String[] args) {
        // 定义3个售票窗口
        for(int i=1; i<=3; i++) {
            TicketOffice ticketOffice = new TicketOffice(currentTicketCount, i);
            // 每个售票窗口开始售票
            new Thread(ticketOffice).start();
        }
    }
}

在上面的代码中，先创建了一个 AtomicInteger 对象，然后创建了 3 个售票窗口模拟售票动作，接下来每个售票窗口如何动作呢，看下面的代码。

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

/**
 * 模拟售票窗口
 */
public class TicketOffice implements Runnable {
    // 当前可售的总票数
    private AtomicInteger currentTicketCount;
    // 窗口名称（编号）
    private String ticketOfficeNo;
	// 售票窗口构造函数
    public TicketOffice(AtomicInteger currentTicketCount, int ticketOfficeNo) {
        this.currentTicketCount = currentTicketCount;
        this.ticketOfficeNo = "第" + ticketOfficeNo + "售票窗口";
    }
	// 模拟售票逻辑
    public void run() {
	    // 模拟不间断的售票工作（生活中有工作时间段控制）
        while (true) {
            // 获取当前可售的总票数，如果没有余票就关闭当前售票窗口结束售票，否则继续售票
            if (currentTicketCount.get() < 1) {
                System.out.println("票已售完，" + ticketOfficeNo + "结束售票");
                return;
            }
            // 模拟售票用时
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(1000));
            } catch (Exception e) {}
            // 当总票数减1后不为负数时，出票成功
            int ticketIndex = currentTicketCount.decrementAndGet();
            if (ticketIndex >= 0) {
                System.out.println(ticketOfficeNo + "已出票，还剩" + ticketIndex + "张票");
            }
        }
    }
}

在 TicketOffice 类中，首先通过 get () 获取了当前可售的总票数，在有余票的情况下继续售票。然后随机休眠代替售票过程，最后使用 decrementAndGet () 尝试出票。我们观察一下运行结果。

第3售票窗口已出票，还剩9张票
第1售票窗口已出票，还剩8张票
第2售票窗口已出票，还剩7张票
第1售票窗口已出票，还剩6张票
第3售票窗口已出票，还剩5张票
第3售票窗口已出票，还剩4张票
第2售票窗口已出票，还剩3张票
第1售票窗口已出票，还剩2张票
第3售票窗口已出票，还剩1张票
第2售票窗口已出票，还剩0张票
票已售完，第2售票窗口结束售票
票已售完，第1售票窗口结束售票
票已售完，第3售票窗口结束售票

在这个案例中，因为存在多个售票窗口同时对一场电影进行售票，如果不对可售票数做并发售票控制，很可能会出现多卖出票的尴尬。例子中没有直接使用 synchronized 关键字做同步控制，而是使用 JDK 封装好的 AtomicInteger 原子工具类实现了并发控制整型变量的操作，是不是很方便呢。

至此，大家对 AtomicInteger 已经有了初步的理解，接下来我们继续丰富对 AtomicInteger 工具类的认识。

5 核心方法介绍

除了上面代码中使用的最基本的 AtomicInteger (int)、AtomicInteger ()、 set () 、get () 和 decrementAndGet () 方法之外，我们还需要掌握其他几组核心方法的使用。下面逐个介绍。

getAndAdd (int) 方法与 AddAndGet (int) 方法

第 1 个方法是先获取原值，之后再对原值做增加。注意获取的值是变更之前的值。而第 2 个方法正好相反，是先对原值做增加操作之后再获取更新过的值。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
System.out.println(atomicInteger.get());            // 0
System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(10));    // 0，获取当前值并加10
System.out.println(atomicInteger.get());            // 10
System.out.println(atomicInteger.addAndGet(20));    // 30，当前值先加20再获取
System.out.println(atomicInteger.get());            // 30

getAndIncrement () 方法与 incrementAndGet () 方法

第 1 个方法是先获取值，之后再对原值做增 1 操作，注意获取的值是变更之前的值。而第 2 个方法正好相反，是先对原值做增 1 的操作之后再获取更新过的值。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
System.out.println(atomicInteger.get());  // 0
System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement()); // 0，获取当前值并自增1
System.out.println(atomicInteger.get());  // 1
System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet()); // 2，当前值先自增1再获取
System.out.println(atomicInteger.get());  // 2

compareAndSet(int expect, int update)

原值与 expect 相比较，如果不相等则返回 false 且原有值保持不变，否则返回 true 且原值更新为 update。

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(10);
System.out.println(atomicInteger.get()); // 10
int expect = 12;
int update = 20;
Boolean b =atomicInteger.compareAndSet(expect, update);
System.out.println(b); // 10 不等于 12 不满足期望，所以返回false，且保持原值不变
System.out.println(atomicInteger.get());

二原子操作之 AtomicReference

1 概念介绍

① AtomicReference和AtomicInteger非常类似，不同之处就在于AtomicInteger是对整数的封装，而AtomicReference则对应普通的对象引用。也就是它可以保证你在修改对象引用时的线程安全性。

② AtomicReference是作用是对”对象”进行原子操作。提供了一种读和写都是原子性的对象引用变量。原子意味着多个线程试图改变同一个AtomicReference(例如比较和交换操作)将不会使得AtomicReference处于不一致的状态。

本节介绍的 AtomicReference 工具类直译为 “原子引用”。原子操作的概念我们在之前的章节中已经介绍过了，那什么是引用呢？

引用就是为对象另起一个名字，引用对象本身指向被引用对象，对引用对象的操作都会反映到被引用对象上。在 Java 中，引用对象本身存储的是被引用对象的 “索引值”。如果对引用概念还是比较模糊，请查阅 Java 基础语法知识复习。

AtomicReference 工具类和 AtomicInteger 工具类很相似，只是 AtomicInteger 工具类是对基本类型的原子封装，而 AtomicReference 工具类是对引用类型的原子封装。我们用一张原理图展示其基本逻辑。

在这里插入图片描述

我们看下面 AtomicReference 工具类的基本用法。

2 基本用法

先简单定义个 User 类

@Data
@AllArgsConstructor
public class User {
    private String name;
    private Integer age;
}

使用 AtomicReference 初始化，并赋值

public static void main( String[] args ) {
    User user1 = new User("张三", 23);
    User user2 = new User("李四", 25);
    User user3 = new User("王五", 20);

	//初始化为 user1
    AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
    atomicReference.set(user1);

	//把 user2 赋给 atomicReference
    atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
    System.out.println(atomicReference.get());

	//把 user3 赋给 atomicReference
    atomicReference.compareAndSet(user1, user3);
    System.out.println(atomicReference.get());
}

输出结果如下：

User(name=李四, age=25)
User(name=李四, age=25)

解释

compareAndSet(V expect, V update)

该方法作用是：如果atomicReference==expect，就把update赋给atomicReference，否则不做任何处理。

在这里插入图片描述

atomicReference的初始值是user1，所以调用compareAndSet(user1, user2)，由于user1==user1，所以会把user2赋给atomicReference。此时值为“李四”
第二次调用atomicReference.compareAndSet(user1, user3)，由于user2 != user1，所以set失败。atomicReference仍然为“李四”

3 常用场景

AtomicReference 和 AtomicInteger 非常类似，不同之处就在于 AtomicInteger 是对整数的封装，且每次只能对一个整数进行封装，而 AtomicReference 则是对普通的对象引用的封装，可将多个变量作为一个整体对象，操控多个属性的原子性的并发类。

下面我们用 AtomicReference 工具类实现生活中汽车牌照竞拍的例子：假设总共有 10 位客户参与竞拍，每位客户只有一次竞拍机会，竞拍是资格竞拍不以竞拍价格为目的。请看下面的代码。

4 场景案例

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {

    // 代表待拍的车牌
    private static CarLicenseTag carLicenseTag = new CarLicenseTag(80000);    
    // 创建一个 AtomicReference 对象，对车牌对象做原子引用封装
    private static AtomicReference<CarLicenseTag> carLicenseTagAtomicReference = new AtomicReference<>(carLicenseTag);
    public static void main(String[] args) {
        // 定义5个客户进行竞拍
        for(int i=1; i<=5; i++) {
            AuctionCustomer carAuctionCustomer = new AuctionCustomer(carLicenseTagAtomicReference, carLicenseTag, i);
            // 开始竞拍
            new Thread(carAuctionCustomer).start();
        }
    }
}

/**
 * 车牌
 */
public class CarLicenseTag {
    // 每张车牌牌号事先是固定的
    private String licenseTagNo = "沪X66666";
    // 车牌的最新拍卖价格
    private double price = 80000.00;
    public CarLicenseTag(double price) {
        this.price += price;
    }
    public String toString() {
        return "CarLicenseTag{ licenseTagNo='" + licenseTagNo + ", price=" + price + '}';
    }
}

每个客户是如何动作呢，看下面的代码。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AuctionCustomer implements Runnable {
    private AtomicReference<CarLicenseTag> carLicenseTagReference;
    private CarLicenseTag carLicenseTag;
    private String customerNo;
    public AuctionCustomer(AtomicReference<CarLicenseTag> carLicenseTagReference, CarLicenseTag carLicenseTag, int customerNo) {
        this.carLicenseTagReference = carLicenseTagReference;
        this.carLicenseTag = carLicenseTag;
        this.customerNo = customerNo+"";
    }

    public void run() {
        // 客户竞拍行为 (模拟竞拍思考准备时间4秒钟)
        try {
            Thread.sleep(new Random().nextInt(4000));
        } catch (Exception e) {}

        // 举牌更新最新的竞拍价格
        // 此处做原子引用更新
        boolean bool = carLicenseTagReference.compareAndSet(carLicenseTag,
                new CarLicenseTag(new Random().nextInt(1000)));
        System.out.println("第" + customerNo + "位客户竞拍" + bool + " 当前的竞拍信息" + carLicenseTagReference.get().toString());
    }
}

运行后运行结果如下。

第4位客户竞拍true 当前的竞拍信息CarLicenseTag{ licenseTagNo='沪X66666, price=80946.0}
第5位客户竞拍false 当前的竞拍信息CarLicenseTag{ licenseTagNo='沪X66666, price=80946.0}
第2位客户竞拍false 当前的竞拍信息CarLicenseTag{ licenseTagNo='沪X66666, price=80946.0}
第1位客户竞拍false 当前的竞拍信息CarLicenseTag{ licenseTagNo='沪X66666, price=80946.0}
第3位客户竞拍false 当前的竞拍信息CarLicenseTag{ licenseTagNo='沪X66666, price=80946.0}

至此，大家对 AtomicReference 已经有了初步的理解，接下来我们继续丰富对 AtomicReference 工具类的认识。

5 核心方法介绍

除过上面代码中使用的最基本的 AtomicReference (V)、compareAndSet (int, int)、get () 方法之外，我们还再介绍两个方法的使用。下面逐个介绍。

set () 方法

可以使用不带参数的构造方法构造好对象后，再使用 set () 方法设置待封装的对象。等价于使用 AtomicReference (V) 构造方法。

getAndSet () 方法

此方法以原子方式设置为给定值，并返回旧值。逻辑等同于先调用 get () 方法再调用 set () 方法。

三原子操作之 DoubleAdder

1 概念介绍

adder 加法器

DoubleAdder 工具类采用了 “分头计算最后汇总” 的思路，避免每一次（细粒度）操作的并发控制，提高了并发的性能。什么是细粒度的同步控制呢？所谓细粒度的同步控制，指的是对待同步控制对象的每一次操作都需要加以控制，这样描述是不是有点抽象，别着急，看下面的图示。

在这里插入图片描述

我们看下面 DoubleAdder 工具类的基本用法。

2 基本用法

// 首先创建一个 DoubleAdder 对象
DoubleAdder doubleAdder = new DoubleAdder();
...
// 调用累加方法
doubleAdder.add(50.5);
doubleAdder.add(49.5);
// 调用求和方法
double sum = doubleAdder.sum();
...

是不是很简单，那 DoubleAdder 在我们日常实践中，到底应该应用在哪些场合比较合适呢？下面我们给出最常用的场景说明。

3 常用场景

DoubleAdder 经常用于多线程并发做收集统计数据的场合，而不是细粒度的同步控制。
下面我们用 DoubleAdder 工具类实现一个生活案例：某商场为了掌握客流特征，在商场所有出入口架设了人体特征识别设备，此类设备可以有效识别客人性别等信息。基于此，商场管理办公室计划制作一个客流性别流量图表，用于决策商场的服务内容。

4 场景案例

import java.util.concurrent.atomic.DoubleAdder;

public class DoubleAdderTest {

    // 首先创建三个 DoubleAdder 对象分别表示统计结果
    // 代表当天所有进入商场的男性客户总数量
    private static DoubleAdder maleCount = new DoubleAdder();
    // 代表当天所有进入商场的女性客户总数量
    private static DoubleAdder womenCount = new DoubleAdder();
    // 代表当天所有进入商场的未能识别的客户总数量
    private static DoubleAdder unknownGenderCount = new DoubleAdder();
	
    public static void main(String[] args) {
        // 定义30个商场入口检测设备
        for (int i = 1; i <= 30; i++) {
            MonitoringDevice monitoringDevice = new MonitoringDevice(maleCount, womenCount, unknownGenderCount, i);
            // 开启检测设备进行检测
            new Thread(monitoringDevice).start();
        }
    }
}

在上面的代码中，首先创建三个 DoubleAdder 对象分别表示统计结果，然后创建了 30 个商场入口检测设备模拟检测识别，接下来每个检测设备如何动作呢，看下面的代码。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.atomic.DoubleAdder;

public class MonitoringDevice implements Runnable {

    private DoubleAdder maleCount;
    private DoubleAdder womenCount;
    private DoubleAdder unknownGenderCount;

    private String monitoringDeviceNo;

    public MonitoringDevice(DoubleAdder maleCount, DoubleAdder womenCount, DoubleAdder unknownGenderCount, int monitoringDeviceNo) {
        this.maleCount = maleCount;
        this.womenCount = womenCount;
        this.unknownGenderCount = unknownGenderCount;
        this.monitoringDeviceNo = "第" + monitoringDeviceNo + "监控采集处";
    }

    public void run() {
        while (true) {
            // 监测处理 (监测设备输出1代表男性，0代表女性，其他代表未能识别，此处随机产生监测结果)
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(3000));
            } catch (Exception e) {}
            int monitoringDeviceOutput = new Random().nextInt(3);


            // 对监测结果进行统计
            switch (monitoringDeviceOutput) {
                case 0:
                    womenCount.add(1);
                    System.out.println(monitoringDeviceNo + "统计结果: womenCount=" + womenCount.sum());
                    break;
                case 1:
                    maleCount.add(1);
                    System.out.println(monitoringDeviceNo + "统计结果: maleCount=" + maleCount.sum());
                    break;
                default:
                    unknownGenderCount.add(1);
                    System.out.println(monitoringDeviceNo + "统计结果: unknownGenderCount=" + unknownGenderCount.sum());
                    break;
            }

        }
    }
}

在 MonitoringDevice 类中，首先模拟监测设备输出，然后将输出结果使用 add () 进行统计累加，使用 sum () 输出累加结果。运行一段时间后运行结果如下。

...
第10监控采集处统计结果: maleCount=39.0
第17监控采集处统计结果: maleCount=40.0
第15监控采集处统计结果: unknownGenderCount=41.0
第25监控采集处统计结果: womenCount=47.0
...

上面的案例中，总共计算了三个统计值，每一个统计值都使用了多个线程同时进行统计计算。在统计过程中，每一个线程只需要累加自己的那份统计结果，所以不需要做同步控制，只要在最后进行汇总统计结果时做同步控制进行汇总即可。像这样的场景使用 DoubleAdder 工具类会非常方便简洁。

至此，大家对 DoubleAdder 已经有了初步的理解，接下来我们继续丰富对 DoubleAdder 工具类的认识。

2 核心方法介绍

除过上面代码中使用的最基本的 add (int)、sum () 方法之外，我们再介绍两个方法的使用。

reset () 方法

将累加器值置为 0，即为后继使用重新归位。

sumThenReset () 方法

此方法逻辑等同于先调用 sum () 方法再调用 reset () 方法，简化代码编写。

四原子操作之 LongAccumulator

1 概念介绍

Accumulator [əˈkjuːmjəleɪtə(r)] 累加器

相比 LongAdder，LongAccumulator工具类提供了更灵活更强大的功能。不但可以指定计算结果的初始值，相比 LongAdder 只能对数值进行加减运算，LongAccumulator 还能自定义计算规则，比如做乘法运行，或其他任何你想要的计算规则。这样描述是不是有点抽象，别着急，看下面的图示。

在这里插入图片描述

我们看下面 LongAccumulator 工具类的基本用法。

2 基本用法


// 首先创建一个双目运算器对象，这个对象实现了计算规则。
LongBinaryOperator longBinaryOperator = new LongBinaryOperator() {
        @Override
        public long applyAsLong(long left, long right) {
            ...
        }
    }

// 接着使用构造方法创建一个 LongAccumulator 对象，这个对象的第1个参数就是一个双目运算器对象，第二个参数是累加器的初始值。
LongAccumulator longAccumulator = new LongAccumulator(longBinaryOperator, 0);
...
// 调用累加方法
longAccumulator.accumulate(1000)
// 调用结果获取方法
long result = longAccumulator.get();
...

是不是简单又强大！LongAccumulator 在我们日常实践中，到底应该应用在哪些场合比较合适呢？下面我们给出最常用的场景说明。

3 常用场景

LongAccumulator 经常用于自定义运算规则场景下的多线程并发场合。一些简单的累加计算可以直接使用我们之前课程中介绍的工具类，但是当运行规则比较复杂或者 JDK 没有提供对应的工具类时，可以考虑 LongAccumulator 辅助实现。当然所有可使用 LongAdder 的场合都可使用 LongAccumulator 代替，但是没有必要。

下面我们用 LongAccumulator 工具类实现上一节中的生活实例，为了简化叙述，本节我们只统计男性客户总数量。请看下面的代码。

4 场景案例

import java.util.concurrent.atomic.LongAccumulator;

public class LongAccumulatorTest {

	// 此处的运算规则是累加，所以创建一个加法双目运算器对象作为构造函数的第一个参数。
    // 将第二个参数置为0，表示累加初始值。
    // maleCount 对象代表当天所有进入商场的男性客户总数量。
    private static LongAccumulator maleCount = new LongAccumulator(new LongBinaryOperator() {
	    // 此方法用于实现计算规则
        @Override
        public long applyAsLong(long left, long right) {
	        // 在本例中使用加法计算规则
            return left + right;
        }
    }, 0);

    public static void main(String[] args) {
        // 定义30个商场入口检测设备
        for (int i = 1; i <= 30; i++) {
            MonitoringDevice monitoringDevice = new MonitoringDevice(maleCount, i);
            // 开启检测设备进行检测
            new Thread(monitoringDevice).start();
        }
    }
}

在上面的代码中，首先创建一个 LongAccumulator 对象表示统计结果，然后创建了 30 个商场入口检测设备模拟检测识别，接下来每个检测设备如何动作呢，看下面的代码。

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.atomic.LongAccumulator;

/**
 * 模拟设备
 */
public class MonitoringDevice implements Runnable {
    private LongAccumulator maleCount;
    private String monitoringDeviceNo;
    public MonitoringDevice(LongAccumulator maleCount, int monitoringDeviceNo) {
        this.maleCount = maleCount;
        this.monitoringDeviceNo = "第" + monitoringDeviceNo + "监控采集处";
    }
    
	/**
	 * 设备运行的处理逻辑
	 */
    public void run() {
        while (true) {
            // 监测处理 (监测设备输出1代表男性，0代表女性，其他代表未能识别，此处随机产生监测结果)
            try {
                Thread.sleep(new Random().nextInt(3000));
            } catch (Exception e) {}
            int monitoringDeviceOutput = new Random().nextInt(3);

            // 对监测结果进行统计
            switch (monitoringDeviceOutput) {
                case 1: maleCount.accumulate(1);
                    System.out.println("统计结果: maleCount=" + maleCount.get());
                    break;
                default:
                    System.out.println("忽略统计");
                    break;
            }
        }
    }
}

在 MonitoringDevice 类中，首先模拟监测设备输出，然后将输出结果使用 add () 进行统计累加，使用 sum () 输出累加结果。运行一段时间后运行结果如下。

...
忽略统计
统计结果: maleCount=50
...

上面的示例中，使用 LongAccumulator 实现了上一节中相同的需求。对比观察，能够体会到 LongAccumulator 工具类更灵活的地方，但同时也更复杂一些。

至此，大家对 LongAccumulator 已经有了初步的理解，接下来我们继续丰富对 LongAccumulator 工具类的认识。

5 核心方法介绍

除过上面代码中使用的最基本的 accumulate (int)、get () 方法之外，我们再介绍两个方法的使用。

reset () 方法

将累加器值置为 0，即为后继使用重新归位。

getThenReset () 方法