Java AtomicInteger原理用法源码详解

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基本原理

Java 中的 AtomicInteger 是一个原子类，用于实现对整数类型的原子操作。它提供了一系列方法，如 get()、set()、incrementAndGet()、compareAndSet() 等，可以在多线程环境下安全地进行原子操作。通过使用 AtomicInteger，可以避免使用显式的锁来保护共享整数变量，从而提高并发性能。它适用于许多并发场景，如计数器、标记位等。

AtomicInteger 的原理基于 CAS（Compare-And-Swap）操作。它内部使用了 Unsafe 类或者其他底层的原子操作机制来实现线程安全的操作。通过 CAS 操作，AtomicInteger 可以保证在多线程环境下对整数值的修改是原子性的，避免了竞态条件和数据不一致等问题。

AtomicInteger 的主要特点和原理如下：

  1. 内部使用 volatile 修饰的 int 变量：AtomicInteger 内部有一个被 volatile 修饰的 int 变量，用于存储整数值。volatile 关键字确保了变量的可见性，使得对该变量的读写操作具有原子性。
  2. 使用 CAS 操作进行原子更新：AtomicInteger 中的原子操作方法都是基于 CAS 操作实现的。CAS 操作包括比较内存中的值与预期值是否相等，如果相等则更新为新值，否则操作失败。CAS 操作利用底层硬件提供的原子指令，确保操作的原子性。
  3. 循环重试：由于 CAS 操作可能在多线程环境下失败，因此 AtomicInteger 在实现中使用了循环重试的机制。如果 CAS 操作失败，它会不断尝试进行 CAS 操作，直到成功为止。

注意事项

  • AtomicInteger 并不能完全替代 Integer 类，因为它并没有提供自动装箱和拆箱的功能。

  • 虽然 AtomicInteger 提供了原子操作，但仍然需要根据具体情况考虑原子类的使用范围和正确性。有时候，可能需要额外的同步手段来保证一些复合操作的原子性。

    假设需要对一个计数器进行原子递增和条件检查，以决定是否执行某个操作。以下是一个示例代码：

if (counter.incrementAndGet() >= threshold) {
// 执行操作
}


尽管递增操作和条件检查各自都是原子的，但由于两个操作之间存在竞态条件，可能会导致结果不一致。因为在判断条件后，其他线程可能已经对计数器进行了修改。在这种情况下，可以使用额外的同步手段，如锁（`synchronized`）或者显示的使用 `Lock` 接口，来保证多个操作的原子性，可以确保递增操作、条件检查和操作的执行之间是原子的，避免了竞态条件。

```java
synchronized (lock) {
  if (counter.incrementAndGet() >= threshold) {
      // 执行操作
  }
}

基本方法

以下是对 AtomicInteger 类中提供的方法进行总结：

  • AtomicInteger(int initialValue)：使用给定的初始值创建一个新的 AtomicInteger 对象。

  • AtomicInteger()：创建一个新的 AtomicInteger 对象，并将初始值设为 0。

  • int get()：获取当前存储的整数值。

  • void set(int newValue)：设置整数值为指定的新值。

  • void lazySet(int newValue)：最终将整数值设置为指定的新值。不保证立即生效，可能会延迟。

  • int getAndSet(int newValue)：将整数值设置为指定的新值，并返回先前的值。

  • boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果当前值等于预期值，则原子地将整数值设置为指定的新值，并返回操作是否成功。

  • boolean weakCompareAndSet(int expect, int update)：与 compareAndSet() 方法类似，但不提供强有力的保证和排序保证。

  • int getAndIncrement()：先返回当前值，然后将整数值增加 1。

  • int getAndDecrement()：先返回当前值，然后将整数值减少 1。

  • int getAndAdd(int delta)：先返回当前值，然后将整数值增加指定的增量。

  • int incrementAndGet()：将整数值增加 1，然后返回更新后的值。

  • int decrementAndGet()：将整数值减少 1，然后返回更新后的值。

  • int addAndGet(int delta)：将整数值增加指定的增量，然后返回更新后的值。

  • int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)：先获取当前值，然后将整数值更新为通过应用给定函数得到的新值，返回先前的值。

  • int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)：先获取当前值，然后将整数值更新为通过应用给定函数得到的新值，返回更新后的值。

  • int getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：先获取当前值，然后将整数值与给定值通过应用给定函数进行累积计算，返回先前的值。

  • int accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)：先获取当前值，然后将整数值与给定值通过应用给定函数进行累积计算，返回更新后的值。

  • String toString()：以字符串形式返回当前存储的整数值。

  • int intValue()：将当前存储的整数值转换为 int 类型并返回。

  • long longValue()：将当前存储的整数值转换为 long 类型并返回。

  • float floatValue()：将当前存储的整数值转换为 float 类型并返回。

  • double doubleValue()：将当前存储的整数值转换为 double 类型并返回。

这些方法允许原子地对整数值进行各种操作，确保在多线程环境下的线程安全性。

场景示例

以下是几个适用场景和示例：

  1. 计数器（Counter）：AtomicInteger 可以用作计数器，在多线程环境下实现原子的自增、自减操作。例如，统计网站访问次数或任务完成数量等。
public class Counter {
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        count.incrementAndGet();
    }

    public void decrement() {
        count.decrementAndGet();
    }

    public int getCount() {
        return count.get();
    }
}
  1. 并发任务处理：在并发任务处理中，可以使用 AtomicInteger 来控制任务的执行顺序或限制同时执行的任务数量。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class TaskProcessor {
    private static final int MAX_CONCURRENT_TASKS = 10;
    private AtomicInteger activeTasks = new AtomicInteger(0);

    public void processTask(Runnable task) {
        // 检查是否达到最大并发任务数
        while (activeTasks.get() >= MAX_CONCURRENT_TASKS) {
            // 等待其他任务完成后再继续执行
            Thread.yield();
        }

        try {
            activeTasks.incrementAndGet(); // 增加活动任务数
            task.run(); // 执行任务
        } finally {
            activeTasks.decrementAndGet(); // 减少活动任务数
        }
    }
}
  1. 线程安全的共享变量：当多个线程需要共享某个变量时，可以使用 AtomicInteger 来保证线程安全。例如，在多个线程中对共享计数器进行递增操作。
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class SharedVariableExample {
    private static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Runnable task = () -> {
            for (int i = 0; i < 1000; i++) {
                counter.incrementAndGet(); // 原子递增操作
            }
        };

        Thread thread1 = new Thread(task);
        Thread thread2 = new Thread(task);

        thread1.start();
        thread2.start();

        thread1.join();
        thread2.join();

        System.out.println("Counter value: " + counter.get());
    }
}

在上述示例中，两个线程并发地对 counter 进行递增操作，通过 AtomicInteger 来保证递增操作的原子性，并最终输出正确的计数器值。

总之，AtomicInteger 适用于多线程环境下对整数进行原子操作的场景，如计数器、并发任务处理和线程安全的共享变量等。它提供了一种高效且线程安全的方式来处理整数操作。

中文源码

/**
 * 一个可以原子更新的 {@code int} 值。请参阅 {@link java.util.concurrent.atomic} 包规范，了解原子变量的属性描述。
 * {@code AtomicInteger} 在诸如原子递增计数器等应用中使用，不能用作 {@link java.lang.Integer} 的替代品。
 * 但是，该类扩展了 {@code Number} 类，以便允许工具和实用程序对基于数字的类进行统一访问。
 *
 * @since 1.5
 * @author Doug Lea
 */
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // 设置使用 Unsafe.compareAndSwapInt 进行更新
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) {
            throw new Error(ex);
        }
    }

    private volatile int value; // 使用 volatile 修饰，保证可见性

    /**
     * 使用给定的初始值创建一个新的 {@code AtomicInteger}。
     *
     * @param initialValue 初始值
     */
    public AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue; // 初始化整数值
    }

    /**
     * 创建一个初始值为 {@code 0} 的新 {@code AtomicInteger}。
     */
    public AtomicInteger() {
    }

    /**
     * 获取当前值。
     *
     * @return 当前值
     */
    public final int get() {
        return value; // 获取当前存储的整数值
    }

    /**
     * 设置为给定值。
     *
     * @param newValue 新值
     */
    public final void set(int newValue) {
        value = newValue; // 设置整数值为指定的新值
    }

    /**
     * 最终设置为给定值。
     *
     * @param newValue 新值
     * @since 1.6
     */
    public final void lazySet(int newValue) {
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue); // 最终设置整数值为指定的新值，可能会延迟生效
    }

    /**
     * 原子地设置为给定值，并返回旧值。
     *
     * @param newValue 新值
     * @return 先前的值
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); // 原子地设置整数值为指定的新值，并返回先前的值
    }

    /**
     * 如果当前值 {@code ==} 预期值，则原子地将值设置为给定更新值。
     *
     * @param expect 预期值
     * @param update 新值
     * @return {@code true} 表示成功。返回 {@code false} 表示实际值不等于预期值。
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); // 如果当前值等于预期值，则原子地将整数值设置为指定的新值，并返回操作是否成功
    }

    /**
     * 如果当前值 {@code ==} 预期值，则原子地将值设置为给定更新值。
     *
     * <p><a href="package-summary.html#weakCompareAndSet">可能会出现虚假失败，不提供排序保证</a>，
     * 因此很少作为 {@code compareAndSet} 的替代方法。
     *
     * @param expect 预期值
     * @param update 新值
     * @return {@code true} 表示成功
     */
    public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); // 弱 CAS 操作，不提供强有力的保证和排序保证
    }

    /**
     * 原子地将当前值加 1。
     *
     * @return 先前的值
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); // 先返回当前值，然后将整数值增加 1
    }

    /**
     * 原子地将当前值减 1。
     *
     * @return 先前的值
     */
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1); // 先返回当前值，然后将整数值减少 1
    }

    /**
     * 原子地将给定值加到当前值。
     *
     * @param delta 要添加的值
     * @return 先前的值
     */
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta); // 先返回当前值，然后将整数值增加指定的增量
    }

    /**
     * 原子地将当前值加 1。
     *
     * @return 更新后的值
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1; // 将整数值增加 1，然后返回更新后的值
    }

    /**
     * 原子地将当前值减 1。
     *
     * @return 更新后的值
     */
    public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1; // 将整数值减少 1，然后返回更新后的值
    }

    /**
     * 原子地将给定值添加到当前值。
     *
     * @param delta 要添加的值
     * @return 更新后的值
     */
    public final int addAndGet(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta; // 将整数值增加指定的增量，然后返回更新后的值
    }

    /**
     * 使用给定函数原子地更新当前值，并返回先前的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新，
     * 因此该函数应是无副作用的。
     *
     * @param updateFunction 无副作用的函数
     * @return 先前的值
     * @since 1.8
     */
    public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.applyAsInt(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }

    /**
     * 使用给定函数原子地更新当前值，并返回更新后的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新，
     * 因此该函数应是无副作用的。
     *
     * @param updateFunction 无副作用的函数
     * @return 更新后的值
     * @since 1.8
     */
    public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.applyAsInt(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }

    /**
     * 使用给定函数将当前值和给定值原子地更新，并返回先前的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新，
     * 因此该函数应是无副作用的。该函数将当前值作为第一个参数，给定更新作为第二个参数应用。
     *
     * @param x 更新值
     * @param accumulatorFunction 两个参数的无副作用函数
     * @return 先前的值
     * @since 1.8
     */
    public final int getAndAccumulate(int x,
                                      IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }

    /**
     * 使用给定函数将当前值和给定值原子地更新，并返回更新后的值。由于可能在线程之间产生争用时重新应用尝试更新，
     * 因此该函数应是无副作用的。该函数将当前值作为第一个参数，给定更新作为第二个参数应用。
     *
     * @param x 更新值
     * @param accumulatorFunction 两个参数的无副作用函数
     * @return 更新后的值
     * @since 1.8
     */
    public final int accumulateAndGet(int x,
                                      IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }

    /**
     * 返回当前值的字符串表示形式。
     *
     * @return 当前值的字符串表示形式
     */
    public String toString() {
        return Integer.toString(get());
    }

    /**
     * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code int} 返回。
     */
    public int intValue() {
        return get();
    }

    /**
     * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code long} 返回，进行扩展原始转换。
     * @jls 5.1.2 扩展原始类型转换
     */
    public long longValue() {
        return (long)get();
    }

    /**
     * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code float} 返回，进行扩展原始转换。
     * @jls 5.1.2 扩展原始类型转换
     */
    public float floatValue() {
        return (float)get();
    }

    /**
     * 将此 {@code AtomicInteger} 的值作为 {@code double} 返回，进行扩展原始转换。
     * @jls 5.1.2 扩展原始类型转换
     */
    public double doubleValue() {
        return (double)get();
    }
}

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