Java并发基础：原子类之AtomicIntegerFieldUpdater全面解析

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原文标题：Java并发基础：原子类之AtomicIntegerFieldUpdater全面解析

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本文概要

AtomicIntegerFieldUpdater类提供了一种高效、简洁的方式来原子性地更新对象的volatile字段，无需使用重量级的锁机制，它通过基于反射的API实现了细粒度的并发控制，提升了多线程环境下的性能表现。

AtomicIntegerFieldUpdater核心概念

AtomicIntegerFieldUpdater类是一个用于原子更新字段值的工具类，它特别适用于在并发环境中，当多个线程需要访问和修改某个对象的某个volatile整型字段时，能够保证该字段更新的原子性。

模拟一个业务场景，假设有一个在线书店，每个书籍都有一个库存数量字段，表示为int stockCount，当多个用户同时购买同一本书时，系统需要确保库存数量的减少是线程安全的，即不会出现超卖的情况。

在传统的同步方法中，可能会使用synchronized关键字或ReentrantLock来同步整个库存减少的方法，但这样做的话，每次只有一个线程能够执行减少库存的操作，其他线程必须等待，这在高并发环境下可能会导致性能瓶颈。

在这个场景中使用AtomicIntegerFieldUpdater类的decrementAndGet方法，这个方法会以原子方式将库存数量减1，并返回更新后的值，同时它是以原子地更新库存数量字段，而不需要对整个方法进行同步，多个线程可以同时尝试减少库存，但每次只有一个线程能够成功更新库存数量，其他线程会重新尝试，直到成功为止。

注意：使用AtomicIntegerFieldUpdater类时，库存数量字段必须是volatile修饰的，这样可以保证所有线程都能看到最新的值，同时由于AtomicIntegerFieldUpdater类是基于反射实现的，因此，它只能更新公共字段或具有公共setter方法的字段。

AtomicIntegerFieldUpdater使用案例

下面是一个简单的Java代码案例，演示了如何使用AtomicIntegerFieldUpdater类，如下代码：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;  
  
public class AtomicIntegerFieldUpdaterExample {  
  
    // 定义一个包含volatile字段的类  
    static class MyObject {  
        volatile value = 0; // 这个字段将被原子更新  
    }  
  
    // 创建一个AtomicIntegerFieldUpdater实例，用于更新MyObject的value字段  
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<MyObject> updater =  
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(MyObject.class, "value");  
  
    public static void main(String[] args) {  
        // 创建一个MyObject实例  
        MyObject myObject = new MyObject();  
  
        // 输出初始值  
        System.out.println("Initial value: " + myObject.value);  
  
        // 使用AtomicIntegerFieldUpdater原子地增加value字段的值  
        updater.incrementAndGet(myObject);  
  
        // 输出更新后的值  
        System.out.println("Value after increment: " + myObject.value);  
  
        // 使用AtomicIntegerFieldUpdater原子地将value字段的值设置为100  
        updater.set(myObject, 100);  
  
        // 输出再次更新后的值  
        System.out.println("Value after setting to 100: " + myObject.value);  
    }  
}

输出将是：

Initial value: 0  
Value after increment: 1  
Value after setting to 100: 100

代码解释：

  1. 定义一个名为MyObject的静态内部类，该类有一个volatile字段value。
  2. 创建一个AtomicIntegerFieldUpdater类的实例updater，该实例将用于原子地更新MyObject类的value字段。
  3. 在main方法中，创建了MyObject的实例，并使用updater原子地增加和设置value字段的值。
  4. 使用System.out.println来输出value字段的初始值、增加后的值和设置为100后的值。

AtomicIntegerFieldUpdater核心API

AtomicIntegerFieldUpdater类是Java的java.util.concurrent.atomic包中的一个工具类，这个类的主要是用于原子地更新指定对象的指定volatile字段，以下是该类中一些主要方法的含义：

  1. newUpdater(Class<T> tclass, String fieldName): 这是一个静态方法，用于创建一个新的AtomicIntegerFieldUpdater，它能够以原子方式更新给定类的指定名称的volatile字段，tclass是字段所在类的Class对象，fieldName是要更新的字段的名称。
  2. get(T obj): 这个方法获取指定对象的volatile字段的当前值，obj是包含要获取字段的对象。
  3. set(T obj, int newValue): 这个方法以原子方式设置指定对象的volatile字段的值为newValue，obj是包含要设置字段的对象，newValue是要设置的新值。
  4. lazySet(T obj, int newValue): 这个方法最终将设置指定对象的volatile字段的值为newValue，但它允许之后的内存操作重排序，也就是说这个操作可能不是立即对其他线程可见的，它通常用于提高性能，但牺牲了一些一致性保证。
  5. getAndSet(T obj, int newValue): 这个方法以原子方式设置指定对象的volatile字段的值为newValue，并返回该字段的旧值，obj是包含要设置字段的对象，newValue是要设置的新值。
  6. getAndAdd(T obj, int delta): 这个方法以原子方式将给定值delta添加到指定对象的volatile字段的当前值，并返回更新前的值，obj是包含要添加字段的对象，delta是要添加的值。
  7. incrementAndGet(T obj): 这个方法以原子方式将指定对象的volatile字段的当前值增加1，并返回更新后的值，obj是包含要增加字段的对象。
  8. decrementAndGet(T obj): 这个方法以原子方式将指定对象的volatile字段的当前值减少1，并返回更新后的值，obj是包含要减少字段的对象。
  9. addAndGet(T obj, int delta): 这个方法以原子方式将给定值delta添加到指定对象的volatile字段的当前值，并返回更新后的值，obj是包含要添加字段的对象，delta是要添加的值。
  10. compareAndSet(T obj, int expect, int update): 这个方法以原子方式将指定对象的volatile字段的值与expect值进行比较，如果当前值等于expect值，则使用update值更新该字段，如果更新成功，则返回true，否则返回false，这个方法通常用于实现基于比较的同步机制，如自旋锁。

使用AtomicIntegerFieldUpdater时，必须确保被更新的字段是volatile修饰的，并且对于使用AtomicIntegerFieldUpdater的类是可访问的（即字段是public的，或者与AtomicIntegerFieldUpdater在同一个包中且字段是包私有的，或者通过其他方式使字段可访问），此外，字段也不能是static的。

AtomicIntegerFieldUpdater技术原理

AtomicIntegerFieldUpdater类用于对对象的某个volatile字段进行原子性更新，该类的实现原理基于Java的内存模型（JMM）和Unsafe类的底层操作。

实现原理

  1. Java内存模型（JMM）:使用Java内存模型保证了多线程之间变量的可见性和原子性操作，使用volatile关键字确保了一个线程对变量的修改对其他线程是立即可见的，并且禁止了指令重排。
  2. Unsafe类: AtomicIntegerFieldUpdater的底层实现依赖于sun.misc.Unsafe类，该类提供了低级别的、非安全的、操作系统级别的访问方法，它可以直接访问内存、创建对象、数组等，而不受Java访问控制的限制。
  3. 反射: AtomicIntegerFieldUpdater使用反射来获取要更新的字段的Field对象，然后通过Unsafe类直接操作这个字段的内存地址。
  4. 原子操作: Unsafe类提供了一系列原子操作方法，如compareAndSwapInt，这是一个基于硬件支持的原子比较并交换（CAS）操作，CAS操作包括三个参数：一个内存位置（V）、预期原值（A）和新值（B），如果内存位置V的值与预期原值A相匹配，那么处理器会自动将该位置的值更新为新值B，否则，处理器不做任何操作，无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值，这一过程是原子的，也就是说在执行过程中不会被其他线程打断。

底层算法

AtomicIntegerFieldUpdater的底层算法主要基于CAS操作来实现原子性更新，以incrementAndGet方法为例：

  1. 使用一个do-while循环来尝试更新字段的值。
  2. 在循环体内，首先使用Unsafe类的getIntVolatile方法获取当前字段的值。
  3. 计算新的值（当前值 + 1）。
  4. 使用Unsafe类的compareAndSwapInt方法尝试将字段的值从当前值更新为新值，如果成功，则退出循环并返回新值；如果失败（说明其他线程已经修改了该字段的值），则继续循环。

这种基于CAS的算法是一种无锁算法，也称为乐观锁算法，它不需要获取和释放锁，而是通过不断重试来确保更新的原子性，在高并发环境下，这种算法通常比传统的基于锁的算法具有更好的性能。

学习总结

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AtomicIntegerFieldUpdater类允许以原子方式更新对象的某个volatile字段，而无需使用synchronized关键字，这样做的优点在于减少了锁的竞争，提升了多线程环境下的性能，并且使用简单，只需通过反射指定字段即可。

但是，由于使用了反射，所以字段必须是可访问的，这可能会破坏封装性，并且，它只能更新volatile类型的字段，对于其他类型的字段或者非volatile字段则无能为力。

在使用AtomicIntegerFieldUpdater时，建议仅在确实需要原子性更新且性能是关键因素时使用，并且要要注意保持字段的可访问性，并确保字段是volatile类型的。

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