12.Atomic

Java 的 java.util.concurrent 包除了提供底层锁、并发集合外，还提供了一组原子操作的封装类，它们位于 java.util.concurrent.atomic 包。
以 AtomicInteger 为例，它提供的主要操作有：

• 增加值并返回新值：int addAndGet(int delta)
• 加 1 后返回新值：int incrementAndGet()
• 获取当前值：int get()
• 用 CAS 方式设置：int compareAndSet(int expect, int update)

Atomic 类是通过无锁（lock-free）的方式实现的线程安全（thread-safe）访问。它的主要原理是利用了 CAS：Compare and swap。
自己通过 CAS 编写 incrementAndGet()，它大概长这样：

public int incrementAndGet(AtomicInteger var) {
    int current, next;
    do {
        current = var.get(); // 获取当前值
        next = prev + 1; // 当前值加 1
    } while ( ! var.compareAndSwap(current, next)); // 如果 AtomicInteger 的当前值是 current，那就返回 next。否则继续循环等待
    return next;
}

通过 CAS 和 do...while 循环配合，即使其他线程修改了 AtomicInteger 的值，最终的结果也是正确的。

虽然上面使用 do...while 看上去很麻烦，但是实际过程中比使用锁的速度更快。

可以利用 AtomicLong 可以编写一个多线程安全的全局唯一 ID 生成器：

class IdGenerator {
    AtomicLong var = new AtomicLong(0);
    public long getNextId() {
        return var.incrementAndGet();
    }
}

通常情况下，我们并不需要直接用 do ... while 循环调用 compareAndSet 实现复杂的并发操作，而是用 incrementAndGet() 这样的封装好的方法，因此，使用起来非常简单。
如果有大量线程要访问相同的原子值，性能会大幅下降，因为乐观更新需要太多次重试。Java SE 8 提供了 LongAdder 和 LongAccumulator 类来解决这个问题。
LongAdder 包括多个变量（加数），其总和为当前值。可以有多个线程更新不同的加数，线程个数增加时会自动提供新的加数。通常情况下，只有当所有工作都完成之后才需要总和的值，对于这种情况，这种方法会很高效。性能会有显著的提升。
这里写一个使用小例子：

final LongAdder adder = new LongAdder();
for(...) {
    pool.submit(() -> {
        while(...) {
            ...
            if (...) adder.incerment(); // 自增操作
        }
    }); 
}
...
long total = adder.sum(); // 获取总数

LongAccumulator 将这种思想推广到任意的累加操作。在构造器中，可以提供这个操作以及它的零元素：

LongAccumulator adder = new LongAccumulator(Long::sum, 0); // 操作符为 + ，零元素为 0
// In some thread...
adder.accumulate(value);

在内部，这个累加器包含变量 a1，a2，…，an。每个变量初始化为零元素（这个例子中零元素为 0 ）。
调用 accumulate() 并提供值 v 时，其中一个变量会以原子方式更新为 ai=ai op v，这里 op 是中缀形式的累加操作。在我们这个例子中，调用 accumulate() 会对某个 i 计算 ai=ai+v。
get() 的结果是 a1 op a2 op…op an。在我们的例子中，这就是累加器的总和：a1+a2+…+an。

DoubleAdder 和 DoubleAccumulator 也采用同样的方式，只不过处理的是 double 值。

小结

使用 java.util.concurrent.atomic 提供的原子操作可以简化多线程编程：

• 原子操作实现了无锁的线程安全；
• 适用于计数器（Adder），累加器（Accumulator）等。