原子類
原子操作是指不會被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作，這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會有任何線程上下文切換。
原子操作可以是一個步驟，也可以是多個操作步驟，但是其順序不可以被打亂，也不可以被切割而只執(zhí)行其中的一部分，將整個操作視作一個整體是原子性的核心特征。
而 java.util.concurrent.atomic 下的類，就是具有原子性的類，可以原子性地執(zhí)行添加、遞增、遞減等操作。比如之前多線程下的線程不安全的 i++ 問題，到了原子類這里，就可以用功能相同且線程安全的 getAndIncrement 方法來優(yōu)雅地解決。
作用
原子類的作用和鎖有類似之處，是為了保證并發(fā)情況下線程安全。不過原子類相比于鎖，有一定的優(yōu)勢：
粒度更細(xì)：原子變量可以把競爭范圍縮小到變量級別，通常情況下，鎖的粒度都要大于原子變量的粒度。
效率更高：除了高度競爭的情況之外，使用原子類的效率通常會比使用同步互斥鎖的效率更高，因為原子類底層利用了 CAS 操作，不會阻塞線程。
原子類概覽
以 AtomicInteger 為例，分析在 Java 中如何利用 CAS 實現(xiàn)原子操作？
我們來看下 AtomicInteger 是如何通過 CAS 操作實現(xiàn)并發(fā)下的累加操作的，以其中一個重要方法 getAndAdd 方法為突破口。
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
可以看出，里面使用了 Unsafe 這個類，并且調(diào)用了 unsafe.getAndAddInt 方法。所以這里需要簡要介紹一下 Unsafe 類。
Unsafe 類
Unsafe 其實是 CAS 的核心類。由于 Java 無法直接訪問底層操作系統(tǒng)，而是需要通過 native 方法來實現(xiàn)。不過盡管如此，JVM 還是留了一個后門，在 JDK 中有一個 Unsafe 類，它提供了硬件級別的原子操作，我們可以利用它直接操作內(nèi)存數(shù)據(jù)。
那么我們就來看一下 AtomicInteger 的一些重要代碼，如下所示：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
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;
public final int get() {return value;}
...
}
可以看出，在數(shù)據(jù)定義的部分，首先還獲取了 Unsafe 實例，并且定義了 valueOffset。往下看到 static 代碼塊，這個代碼塊會在類加載的時候執(zhí)行，執(zhí)行時會調(diào)用 Unsafe 的 objectFieldOffset 方法，從而得到當(dāng)前這個原子類的 value 的偏移量，并且賦給 valueOffset 變量，這樣一來就獲取到了 value 的偏移量，它的含義是在內(nèi)存中的偏移地址，因為 Unsafe 就是根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取數(shù)據(jù)的原值的，這樣就能通過 Unsafe 來實現(xiàn) CAS 了。
value 是用 volatile 修飾的，它就是原子類存儲的值的變量，由于它被 volatile 修飾，就可以保證在多線程之間看到的 value 是同一份，保證了可見性。
接下來繼續(xù)看 Unsafe 的 getAndAddInt 方法的實現(xiàn)，代碼如下：
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
首先看一下結(jié)構(gòu)，它是一個 do-while 循環(huán)，所以這是一個死循環(huán)，直到滿足循環(huán)的退出條件時才可以退出。
do 后面的這一行代碼 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2)是個 native 方法，作用就是獲取在 var1 中的 var2 偏移處的值。
傳入的兩個參數(shù)，第一個就是當(dāng)前原子類，第二個是最開始獲取到的 offset，這樣一來就可以獲取到當(dāng)前內(nèi)存中偏移量的值，并且保存到 var5 里面。此時 var5 實際上代表當(dāng)前時刻下的原子類的數(shù)值。
現(xiàn)在再來看 while 的退出條件，也就是 compareAndSwapInt 這個方法，它一共傳入了 4 個參數(shù)，這 4 個參數(shù)是 var1、var2、var5、var5 + var4，為了方便理解，給它們?nèi)×诵铝俗兞棵?，分別 object、offset、expectedValue、newValue，具體含義如下：
- 第一個參數(shù) object 就是將要操作的對象，傳入的是 this，也就是 atomicInteger 這個對象本身；
- 第二個參數(shù)是 offset，也就是偏移量，借助它就可以獲取到 value 的數(shù)值；
- 第三個參數(shù) expectedValue，代表“期望值”，傳入的是剛才獲取到的 var5；
- 最后一個參數(shù) newValue 是希望修改的數(shù)值 ，等于之前取到的數(shù)值 var5 再加上 var4，而 var4 就是之前所傳入的 delta，delta 就是希望原子類所改變的數(shù)值，比如可以傳入 +1，也可以傳入 -1。
所以 compareAndSwapInt 方法的作用就是，判斷如果現(xiàn)在原子類里 value 的值和之前獲取到的 var5 相等的話，那么就把計算出來的 var5 + var4 給更新上去，所以說這行代碼就實現(xiàn)了 CAS 的過程。
一旦 CAS 操作成功，就會退出這個 while 循環(huán)，但是也有可能操作失敗。如果操作失敗就意味著在獲取到 var5 之后，并且在 CAS 操作之前，value 的數(shù)值已經(jīng)發(fā)生變化了，證明有其他線程修改過這個變量。
這樣一來，就會再次執(zhí)行循環(huán)體里面的代碼，重新獲取 var5 的值，也就是獲取最新的原子變量的數(shù)值，并且再次利用 CAS 去嘗試更新，直到更新成功為止，所以這是一個死循環(huán)。
