Java高並發編程：原子類__演算法

1. 並發編程概念 原子性

一個操作不能被再拆分了；即一個操作或者多個操作 要麼全部執行並且執行的過程不會被任何因素打斷，要麼就都不執行。一個很經典的例子就是銀行賬戶轉賬問題。
增量操作符++，不是原子的操作，它是先讀取舊值，然後寫回新值，包含2個操作 可見度

可見度是指當多個線程訪問同一個變數時，一個線程修改了這個變數的值，其他線程能夠立即看得到修改的值。 有序性

即程式執行的順序按照代碼的先後順序執行。但是指令重排序會影響到線程並發執行的正確性 總結

要想並發程式正確地執行，必須要保證原子性、可見度以及有序性。只要有一個沒有被保證，就有可能會導致程式運行不正確。 並發，並行，串列

並行是邏輯上同時發生，指在某一個時間內同時運行多個程式。
並發是物理上同時發生，指在某一個時間點同時運行多個程式。 2. 原子類

java.util.concurrent.atomic包：原子類的小工具包，支援在單個變數上解除鎖的安全執行緒編程 2.1 如果同一個變數要被多個線程訪問，則可以使用該包中的類 AtomicBoolean AtomicInteger AtomicLong AtomicReference 2.2 AtomicIntegerArray：運算元組裡面的某個整數 2.3 同樣該包中提供了可以用於反射操作的類 AtomicReferenceFieldUpdater AtomicIntegerFieldUpdater AtomicLongFieldUpdater

它們可以提供對關聯欄位類型的訪問。 3. 原子性布爾 AtomicBoolean

AtomicBoolean 類為我們提供了一個可以用原子方式進行讀和寫的布爾值，它還擁有一些先進的原子性操作，比如 compareAndSet()。AtomicBoolean 類位於 java.util.concurrent.atomic 包，完整類名是為 java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean。本小節描述的 AtomicBoolean 是 Java 8 版本裡的，而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicBoolean 背後的設計理念在我的《Java 並髮指南》主題的《比較和交換》小節有解釋。 建立一個 AtomicBoolean

你可以這樣建立一個 AtomicBoolean：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean();  

以上樣本建立了一個預設值為 false 的 AtomicBoolean。

如果你想要為 AtomicBoolean 執行個體設定一個顯式的初始值，那麼你可以將初始值傳給 AtomicBoolean 的構造子：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  

擷取 AtomicBoolean 的值

你可以通過使用 get() 方法來擷取一個 AtomicBoolean 的值。樣本如下：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  boolean value = atomicBoolean.get();  

以上代碼執行後 value 變數的值將為 true。 設定 AtomicBoolean 的值

你可以通過使用 set() 方法來設定一個 AtomicBoolean 的值。樣本如下：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  atomicBoolean.set(false);  

以上代碼執行後 AtomicBoolean 的值為 false。 交換 AtomicBoolean 的值

你可以通過 getAndSet() 方法來交換一個 AtomicBoolean 執行個體的值。getAndSet() 方法將返回 AtomicBoolean 當前的值，並將為 AtomicBoolean 設定一個新值。樣本如下：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  boolean oldValue = atomicBoolean.getAndSet(false);  

以上代碼執行後 oldValue 變數的值為 true，atomicBoolean 執行個體將持有 false 值。代碼成功將 AtomicBoolean 當前值 ture 交換為 false。 比較並設定 AtomicBoolean 的值

compareAndSet() 方法允許你對 AtomicBoolean 的當前值與一個期望值進行比較，如果當前值等於期望值的話，將會對 AtomicBoolean 設定一個新值。compareAndSet() 方法是原子性的，因此在同一時間之內有單個線程執行它。因此 compareAndSet() 方法可被用於一些類似於鎖的同步的簡單實現。

以下是一個 compareAndSet() 樣本：

AtomicBoolean atomicBoolean = new AtomicBoolean(true);  boolean expectedValue = true;  boolean newValue      = false;  boolean wasNewValueSet = atomicBoolean.compareAndSet(expectedValue, newValue);  

本樣本對 AtomicBoolean 的當前值與 true 值進行比較，如果相等，將 AtomicBoolean 的值更新為 false。 4. 原子性整型 AtomicInteger

AtomicInteger 類為我們提供了一個可以進行原子性讀和寫操作的 int 變數，它還包含一系列先進的原子性操作，比如 compareAndSet()。AtomicInteger 類位於 java.util.concurrent.atomic 包，因此其完整類名為 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger。本小節描述的 AtomicInteger 是 Java 8 版本裡的，而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicInteger 背後的設計理念在我的《Java 並髮指南》主題的《比較和交換》小節有解釋。 建立一個 AtomicInteger

建立一個 AtomicInteger 樣本如下：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  

本樣本將建立一個初始值為 0 的 AtomicInteger。
如果你想要建立一個給定初始值的 AtomicInteger，你可以這樣：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  

本樣本將 123 作為參數傳給 AtomicInteger 的構造子，它將設定 AtomicInteger 執行個體的初始值為 123。 擷取 AtomicInteger 的值

你可以使用 get() 方法擷取 AtomicInteger 執行個體的值。樣本如下：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  int theValue = atomicInteger.get();  

設定 AtomicInteger 的值

你可以通過 set() 方法對 AtomicInteger 的值進行重新設定。以下是 AtomicInteger.set() 樣本：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  atomicInteger.set(234);  

以上樣本建立了一個初始值為 123 的 AtomicInteger，而在第二行將其值更新為 234。 比較並設定 AtomicInteger 的值

AtomicInteger 類也通過了一個原子性的 compareAndSet() 方法。這一方法將 AtomicInteger 執行個體的當前值與期望值進行比較，如果二者相等，為 AtomicInteger 執行個體設定一個新值。AtomicInteger.compareAndSet() 程式碼範例：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(123);  int expectedValue = 123;  int newValue      = 234;  atomicInteger.compareAndSet(expectedValue, newValue);  

本樣本首先建立一個初始值為 123 的 AtomicInteger 執行個體。然後將 AtomicInteger 與期望值 123 進行比較，如果相等，將 AtomicInteger 的值更新為 234。 增加 AtomicInteger 值

AtomicInteger 類包含有一些方法，通過它們你可以增加 AtomicInteger 的值，並擷取其值。這些方法如下： addAndGet() getAndAdd() getAndIncrement() incrementAndGet()

第一個 addAndGet() 方法給 AtomicInteger 增加了一個值，然後返回增加後的值。getAndAdd() 方法為 AtomicInteger 增加了一個值，但返回的是增加以前的 AtomicInteger 的值。具體使用哪一個取決於你的應用情境。以下是這兩種方法的樣本：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();  System.out.println(atomicInteger.getAndAdd(10));  System.out.println(atomicInteger.addAndGet(10));  

本樣本將列印出 0 和 20。例子中，第二行拿到的是加 10 之前的 AtomicInteger 的值。加 10 之前的值是 0。第三行將 AtomicInteger 的值再加 10，並返回加操作之後的值。該值現在是為 20。

你當然也可以使用這倆方法為 AtomicInteger 添加負值。結果實際是一個減法操作。

getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法類似於 getAndAdd() 和 addAndGet()，但每次只將 AtomicInteger 的值加 1。 減小 AtomicInteger 的值

AtomicInteger 類還提供了一些減小 AtomicInteger 的值的原子性方法。這些方法是： decrementAndGet() getAndDecrement()

decrementAndGet() 將 AtomicInteger 的值減一，並返回減一後的值。getAndDecrement() 也將 AtomicInteger 的值減一，但它返回的是減一之前的值。 5. 原子性長整型 AtomicLong

AtomicLong 類為我們提供了一個可以進行原子性讀和寫操作的 long 變數，它還包含一系列先進的原子性操作，比如 compareAndSet()AtomicLong 類位於 java.util.concurrent.atomic 包，因此其完整類名為 java.util.concurrent.atomic.AtomicLong。本小節描述的 AtomicLong 是 Java 8 版本裡的，而不是它第一次被引入的 Java 5 版本。

AtomicLong 背後的設計理念在我的《Java 並髮指南》主題的《比較和交換》小節有解釋。

建立一個 AtomicLong
建立一個 AtomicLong 如下：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();  

將建立一個初始值為 0 的 AtomicLong。
如果你想建立一個指定初始值的 AtomicLong，可以：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  

本樣本將 123 作為參數傳遞給 AtomicLong 的構造子，後者將 AtomicLong 執行個體的初始值設定為 123。
擷取 AtomicLong 的值
你可以通過 get() 方法擷取 AtomicLong 的值。AtomicLong.get() 樣本：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  long theValue = atomicLong.get();  

設定 AtomicLong 的值
你可以通過 set() 方法設定 AtomicLong 執行個體的值。一個 AtomicLong.set() 的樣本：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  atomicLong.set(234);  

本樣本建立了一個初始值為 123 的 AtomicLong，第二行將其值設定為 234。 比較並設定 AtomicLong 的值

AtomicLong 類也有一個原子性的 compareAndSet() 方法。這一方法將 AtomicLong 執行個體的當前值與一個期望值進行比較，如果兩種相等，為 AtomicLong 執行個體設定一個新值。AtomicLong.compareAndSet() 使用樣本：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong(123);  long expectedValue = 123;  long newValue      = 234;  atomicLong.compareAndSet(expectedValue, newValue);  

本樣本建立了一個初始值為 123 的 AtomicLong。然後將 AtomicLong 的當前值與期望值 123 進行比較，如果相等的話，AtomicLong 的新值將變為 234。 增加 AtomicLong 值

AtomicLong 具備一些能夠增加 AtomicLong 的值並返回自身值的方法。這些方法如下： addAndGet() getAndAdd() getAndIncrement() incrementAndGet()

第一個方法 addAndGet() 將 AtomicLong 的值加一個數字，並返回增加後的值。第二個方法 getAndAdd() 也將 AtomicLong 的值加一個數字，但返回的是增加前的 AtomicLong 的值。具體使用哪一個取決於你自己的情境。樣本如下：

AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();  System.out.println(atomicLong.getAndAdd(10));  System.out.println(atomicLong.addAndGet(10));  

本樣本將列印出 0 和 20。例子中，第二行拿到的是加 10 之前的 AtomicLong 的值。加 10 之前的值是 0。第三行將 AtomicLong 的值再加 10，並返回加操作之後的值。該值現在是為 20。

你當然也可以使用這倆方法為 AtomicLong 添加負值。結果實際是一個減法操作。

getAndIncrement() 和 incrementAndGet() 方法類似於 getAndAdd() 和 addAndGet()，但每次只將 AtomicLong 的值加 1。 減小 AtomicLong 的值

AtomicLong 類還提供了一些減小 AtomicLong 的值的原子性方法。這些方法是： decrementAndGet() getAndDecrement()

decrementAndGet() 將 AtomicLong 的值減一，並返回減一後的值。getAndDecrement() 也將 AtomicLong 的值減一，但它返回的是減一之前的值。 6. 原子性引用型 AtomicReference

AtomicReference 提供了一個可以被原子性讀和寫的對象引用變數。原子性的意思是多個想要改變同一個 AtomicReference 的線程不會導致 AtomicReference 處於不一致的狀態。AtomicReference 還有一個 compareAndSet() 方法，通過它你可以將當前引用於一個期望值(引用)進行比較，如果相等，在該 AtomicReference 對象內部設定一個新的引用。 建立一個 AtomicReference

建立 AtomicReference 如下：

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference();  

如果你需要使用一個指定引用建立 AtomicReference，可以：

String initialReference = "the initially referenced string";  AtomicReference atomicReference = new AtomicReference(initialReference);  

建立泛型 AtomicReference

你可以使用 Java 泛型來建立一個泛型 AtomicReference。樣本：

AtomicReference<String> atomicStringReference =      new AtomicReference<String>();  

你也可以為泛型 AtomicReference 設定一個初始值。樣本：

String initialReference = "the initially referenced string";  AtomicReference<String> atomicStringReference =  new AtomicReference<String>(initialReference);  

擷取 AtomicReference 引用

你可以通過 AtomicReference 的 get() 方法來擷取儲存在 AtomicReference 裡的引用。如果你的 AtomicReference 是非泛型的，get() 方法將返回一個 Object 類型的引用。如果是泛型化的，get() 將返回你建立 AtomicReference 時聲明的那個類型。

先來看一個非泛型的 AtomicReference get() 樣本：

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference("first value referenced");  String reference = (String) atomicReference.get();  

注意如何對 get() 方法返回的引用強制轉換為 String。
泛型化的 AtomicReference 樣本：

AtomicReference<String> atomicReference =   new AtomicReference<String>("first value referenced");String reference = atomicReference.get();  

編譯器知道了引用的類型，所以我們無需再對 get() 返回的引用進行強制轉換了。 設定 AtomicReference 引用

你可以使用 get() 方法對 AtomicReference 裡邊儲存的引用進行設定。如果你定義的是一個非泛型 AtomicReference，set() 將會以一個 Object 引用作為參數。如果是泛型化的 AtomicReference，set() 方法將只接受你定義給的類型。

AtomicReference set() 樣本：

AtomicReference atomicReference = new AtomicReference();  atomicReference.set("New object referenced");  

這個看起來非泛型和泛型化的沒啥區別。真正的區別在於編譯器將對你能夠設定給一個泛型化的 AtomicReference 參數類型進行限制。 比較並設定 AtomicReference 引用

AtomicReference 類具備了一個很有用的方法：compareAndSet()。compareAndSet() 可以將儲存在 AtomicReference 裡的引用於一個期望引用進行比較，如果兩個引用是一樣的(並非 equals() 的相等，而是 == 的一樣)，將會給AtomicReference 執行個體設定一個新的引用。

如果 compareAndSet() 為 AtomicReference 設定了一個新的引用，compareAndSet() 將返回 true。否則compareAndSet() 返回 false。

AtomicReference compareAndSet() 樣本：

String initialReference = "initial value referenced";  AtomicReference<String> atomicStringReference =      new AtomicReference<String>(initialReference);  String newReference = "new value referenced";  boolean exchanged = atomicStringReference.compareAndSet(initialReference, newReference);  System.out.println("exchanged: " + exchanged);  exchanged = atomicStringReference.compareAndSet(initialReference, newReference);  System.out.println("exchanged: " + exchanged);  

本樣本建立了一個帶有一個初始引用的泛型化的 AtomicReference。之後兩次調用 comparesAndSet()來對儲存值和期望值進行對比，如果二者一致，為 AtomicReference 設定一個新的引用。第一次比較，儲存的引用(initialReference)和期望的引用(initialReference)一致，所以一個新的引用(newReference)被設定給 AtomicReference，compareAndSet() 方法返回 true。第二次比較時，儲存的引用(newReference)和期望的引用(initialReference)不一致，因此新的引用沒有被設定給 AtomicReference，compareAndSet() 方法返回 false。