详细总结Java中常用的原子类

一、什么是原子类

Java中提供了一些原子类，原子类包装了一个变量，并且提供了一系列对变量进行原子性操作的方法。我们在多线程环境下对这些原子类进行操作时，不需要加锁，大大简化了并发编程的开发。

二、原子类的底层实现

目前Java中提供的原子类大部分底层使用了CAS锁（CompareAndSet自旋锁），如AtomicInteger、AtomicLong等；也有使用了分段锁+CAS锁的原子类，如LongAdder等。

三、常用的原子类

3.1 AtomicInteger与AtomicLong

AtomicInteger与AtomicLong的底层实现与用法基本相同，不同点在于AtomicInteger包装了一个Integer型变量，而AtomicLong包装了一个Long型变量。
AtomicInteger与AtomicLong的底层实现都使用了CAS锁。

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

/**
 * @author IT00ZYQ
 * @date 2021/5/24 15:33
 **/
public class T13_AtomicInteger {
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
    private static Integer integer = 0;
    private static Long lon = 0L;
    public static void main(String[] args) {

        // 创建10个线程，分别对atomicInteger、atomicLong、integer、lon进行1000次增加1的操作
        // 如果操作是原子性的，那么正确结果 = 10 * 1000 = 10000
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
                    atomicInteger.incrementAndGet();
                    atomicLong.incrementAndGet();
                    integer ++;
                    lon ++;
                }
            });
        }

        // 启动线程
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }

        // 保证10个线程运行完成
        try {
            for (Thread thread : threads) {
                thread.join();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("AtomicInteger的结果：" + atomicInteger);
        System.out.println("AtomicLong的结果：" + atomicLong);
        System.out.println("Integer的结果：" + integer);
        System.out.println("Long的结果：" + lon);
    }
}

运行结果：

AtomicInteger的结果：10000
AtomicLong的结果：10000
Integer的结果：4880
Long的结果：4350
Process finished with exit code 0

多次运行发现原子类AtomicInteger与AtomicLong每次都能得到正确的结果10000，但是非原子类Integer与Long一般情况下都达不到10000，每次的结果也可能不一样。

3.2 LongAdder

LongAdder的底层实现使用了分段锁，每个段使用的锁是CAS锁，所以LongAdder的底层实现是分段锁+CAS锁。
在上面的程序添加了一个LongAdder变量进行测试

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

/**
 * @author IT00ZYQ
 * @date 2021/5/24 15:33
 **/
public class T13_AtomicInteger {
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();
    private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
    private static LongAdder longAdder = new LongAdder();
    private static Integer integer = 0;
    private static Long lon = 0L;
    public static void main(String[] args) {

        // 创建10个线程，分别对atomicInteger、atomicLong、integer、lon进行1000次增加1的操作
        // 如果操作是原子性的，那么正确结果 = 10 * 1000 = 10000
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 1; j <= 1000; j++) {
                    atomicInteger.incrementAndGet();
                    atomicLong.incrementAndGet();
                    integer ++;
                    lon ++;
                    longAdder.increment();
                }
            });
        }

        // 启动线程
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }

        // 保证10个线程运行完成
        try {
            for (Thread thread : threads) {
                thread.join();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("AtomicInteger的结果：" + atomicInteger);
        System.out.println("AtomicLong的结果：" + atomicLong);
        System.out.println("Integer的结果：" + integer);
        System.out.println("Long的结果：" + lon);
        System.out.println("LongAdder的结果：" + longAdder);
    }
}

运行结果：

AtomicInteger的结果：10000
AtomicLong的结果：10000
Integer的结果：6871
Long的结果：6518
LongAdder的结果：10000
Process finished with exit code 0

LongAdder类也是能够正确输出结果的。

四、原子类的性能测试

4.1 测试程序

package juc;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicLong;
import java.util.concurrent.atomic.LongAdder;

/**
 * @author IT00ZYQ
 * @date 2021/5/24 15:51
 **/
public class T14_AtomicClassPerformance {
    private static AtomicLong atomicLong = new AtomicLong();
    private static LongAdder longAdder = new LongAdder();
    /**
     * 线程数
     */
    private static final int THREAD_COUNT = 100;
    /**
     * 每次线程循环操作次数
     */
    private static final int OPERATION_COUNT = 10000;

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[THREAD_COUNT];

        
        // 创建对AtomicLong进行操作的线程
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < OPERATION_COUNT; j++) {
                    atomicLong.incrementAndGet();
                }
            });
        }

        long start1 = System.currentTimeMillis();
        // 启动线程
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }

        // 保证线程运行完成
        try {
            for (Thread thread : threads) {
                thread.join();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end1 = System.currentTimeMillis();


        // 创建对LongAdder进行操作的线程
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            threads[i] = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < OPERATION_COUNT; j++) {
                    longAdder.increment();
                }
            });
        }

        long start2 = System.currentTimeMillis();
        // 启动线程
        for (Thread thread : threads) {
            thread.start();
        }

        // 保证线程运行完成
        try {
            for (Thread thread : threads) {
                thread.join();
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        long end2 = System.currentTimeMillis();

        System.out.println("AtomicLong运行时间: " + (end1 - start1) + "ms, 运行结果：" + atomicLong);
        System.out.println("LongAdder运行时间: " + (end2 - start2) + "ms, 运行结果：" + longAdder);
    }

}

4.2 测试结果

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 1000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 40ms, 运行结果：100000
LongAdder运行时间: 57ms, 运行结果：100000
Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 10000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 108ms, 运行结果：1000000
LongAdder运行时间: 85ms, 运行结果：1000000
Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 100, OPERATION_COUNT = 1000000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 6909ms, 运行结果：100000000
LongAdder运行时间: 468ms, 运行结果：100000000
Process finished with exit code 0

THREAD_COUNT = 10, OPERATION_COUNT = 1000000时的运行结果

AtomicLong运行时间: 788ms, 运行结果：10000000
LongAdder运行时间: 162ms, 运行结果10000000
Process finished with exit code 0

4.3 结果分析

当THREAD_COUNT * OPERATION_COUN足够小时，AtomicInteger的性能会略高于LongAdder，而随着THREAD_COUNT * OPERATION_COUN的增加，LongAdder的性能更高，THREAD_COUNT * OPERATION_COUN足够大时，LongAdder的性能远高于AtomicInteger。

4.4 底层实现分析

• AtomicLong的原子性自增操作，是通过CAS实现的。在竞争线程数较少且每个线程的运行所需时间较短的情况下，这样做是合适的。但是如果线程竞争激烈，会造成大量线程在原地打转、不停尝试去修改值，但是老是发现值被修改了，于是继续自旋。 这样浪费了大量的CPU资源。
• LongAdder在竞争激烈时，多个线程并不会一直自旋来修改值，而是采用了分段的思想，各个线程会分散累加到自己所对应的Cell[]数组的某一个数组对象元素中，而不会大家共用一个，把不同线程对应到不同的Cell中进行修改，降低了对临界资源的竞争。本质上，是用空间换时间。

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