文章目錄
- 一、Atomic 類的核心原理
- 二、常見 Atomic 類及用法
- 1. 基本類型原子類
- （1）`AtomicInteger`（原子更新 int）
- （2）`AtomicLong`（原子更新 long）
- （3）`AtomicBoolean`（原子更新 boolean）
- 2. 引用類型原子類
- （1）`AtomicReference<V>`（原子更新對象引用）
- （2）`AtomicStampedReference<V>`（解決 ABA 問題）
- （3）`AtomicMarkableReference<V>`（標記是否修改）
- 3. 數組類型原子類
- （1）`AtomicIntegerArray`（原子更新 int 數組）
- （2）`AtomicLongArray` 和 `AtomicReferenceArray`
- 4. 字段更新器（FieldUpdaters）
- （1）`AtomicIntegerFieldUpdater`（更新對象的 int 字段）
- 三、Atomic 類的適用場景
- 四、局限性
- 總結
Java 中的
java.util.concurrent.atomic包提供了一組原子操作類，用于實現多線程環境下的無鎖線程安全編程。這些類基于硬件提供的CAS（Compare-And-Swap，比較并交換） 指令實現，避免了傳統鎖機制的性能開銷，適用于簡單值的并發更新場景（如計數器、標志位等）。
一、Atomic 類的核心原理
Atomic 類的線程安全依賴 CAS 操作，其基本邏輯如下：
- 讀取當前內存中的值（
V）。- 計算目標值（
N，基于當前值的更新結果）。- 用 CAS 指令比較內存中的值是否仍為
V：
- 若是，將內存值更新為
N，操作成功。- 若否（被其他線程修改），不做操作，重試或放棄（通常會循環重試）。
CAS 是硬件級別的原子操作，無需加鎖即可保證操作的原子性，因此性能優于
synchronized或ReentrantLock。
二、常見 Atomic 類及用法
atomic包提供了針對不同數據類型的原子類，可分為以下幾類：
1. 基本類型原子類
用于對
int、long等基本類型進行原子更新。
（1）AtomicInteger（原子更新 int）
核心方法：
getAndIncrement()：自增 1，返回更新前的值（類似i++）。incrementAndGet()：自增 1，返回更新后的值（類似++i）。getAndAdd(int delta)：增加指定值，返回更新前的值。compareAndSet(int expect, int update)：若當前值等于expect，則更新為update，返回是否成功。
示例：
AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);// 自增（線程安全）
count.incrementAndGet(); // 結果為 1// 條件更新
boolean success = count.compareAndSet(1, 100); // 成功，返回 true，值變為 100
（2）AtomicLong（原子更新 long）
用法與
AtomicInteger類似，用于long類型的原子操作。在 32 位 JVM 上，long的非原子操作可能存在拆分風險，AtomicLong可保證其原子性。
（3）AtomicBoolean（原子更新 boolean）
用于原子更新布爾值，常用
compareAndSet實現線程安全的開關控制：
AtomicBoolean flag = new AtomicBoolean(false);// 若當前為 false，則更新為 true
if (flag.compareAndSet(false, true)) {System.out.println("執行初始化操作");
}
2. 引用類型原子類
用于原子更新對象引用，支持更復雜的并發場景。
（1）AtomicReference<V>（原子更新對象引用）
可對任意對象引用進行原子操作，例如原子更新用戶對象：
class User {String name;public User(String name) { this.name = name; }
}AtomicReference<User> userRef = new AtomicReference<>(new User("Alice"));// 原子更新用戶（若當前是 Alice，則改為 Bob）
User oldUser = new User("Alice");
User newUser = new User("Bob");
boolean swapped = userRef.compareAndSet(oldUser, newUser); // 成功，返回 true
（2）AtomicStampedReference<V>（解決 ABA 問題）
AtomicReference存在 ABA 問題（值從 A 變為 B 再變回 A，CAS 會誤認為未修改）。AtomicStampedReference通過版本號（stamp）解決此問題，每次更新時版本號遞增：
// 初始化：值為 "A"，版本號為 0
AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);int[] stampHolder = new int[1];
String current = ref.get(stampHolder); // current = "A", stampHolder[0] = 0// 只有當值為 "A" 且版本號為 0 時，才更新為 "B"，版本號+1
boolean success = ref.compareAndSet("A", "B", 0, 1); // 成功
（3）AtomicMarkableReference<V>（標記是否修改）
與
AtomicStampedReference類似，但用布爾值（mark）標記是否被修改，而非版本號，適用于只需判斷“是否被修改”的場景。
3. 數組類型原子類
用于原子更新數組中的元素。
（1）AtomicIntegerArray（原子更新 int 數組）
int[] arr = {1, 2, 3};
AtomicIntegerArray atomicArr = new AtomicIntegerArray(arr);// 原子更新索引 1 的元素（加 5）
atomicArr.addAndGet(1, 5); // 數組變為 [1, 7, 3]// 條件更新索引 0 的元素
atomicArr.compareAndSet(0, 1, 10); // 索引 0 的值從 1 變為 10
（2）AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray
分別用于原子更新
long數組和對象引用數組，用法與AtomicIntegerArray類似。
4. 字段更新器（FieldUpdaters）
用于原子更新對象的非靜態字段（需字段可見性為
volatile），無需修改類定義即可實現原子操作。
（1）AtomicIntegerFieldUpdater（更新對象的 int 字段）
示例：
class Student {volatile int score; // 必須是 volatile 修飾的非靜態字段public Student(int score) { this.score = score; }
}// 創建更新器（指定類和字段名）
AtomicIntegerFieldUpdater<Student> updater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Student.class, "score");Student student = new Student(80);
// 原子更新 score 字段（加 10）
updater.addAndGet(student, 10); // score 變為 90
類似的還有
AtomicLongFieldUpdater和AtomicReferenceFieldUpdater，用于更新long字段和對象字段。
三、Atomic 類的適用場景
- 計數器：如接口調用次數、并發任務數統計（
AtomicInteger、AtomicLong）。- 標志位：如線程安全的開關控制（
AtomicBoolean）。- 無鎖數據結構：如實現非阻塞隊列、棧等（基于
AtomicReference）。- 樂觀鎖場景：通過版本號控制（
AtomicStampedReference）實現并發更新。
四、局限性
- 僅支持簡單操作：適合單一變量的原子更新，復雜邏輯（如多變量聯動）仍需鎖機制。
- 可能導致自旋消耗：CAS 失敗時會循環重試，高并發下可能浪費 CPU 資源。
- 無法解決所有并發問題：如需要互斥的場景（如“檢查-修改-操作”三步原子性），可能仍需鎖。
總結
atomic包提供的原子類通過 CAS 操作實現了高效的線程安全，適合簡單值的并發更新場景，性能優于傳統鎖機制。但需注意其局限性：僅適用于單一變量操作，復雜場景仍需結合鎖或其他并發工具。實際開發中，應根據業務復雜度選擇合適的并發方案。
