J.U.C 原子类之AtomicIntegerFieldUpdate

在Java的并发编程中，AtomicIntegerFieldUpdater是一个非常重要的工具类，它提供了一种线程安全的方式来更新某个类的指定volatile int字段，而无需使用同步锁。

一、AtomicIntegerFieldUpdater简介

AtomicIntegerFieldUpdater是Java并发包java.util.concurrent.atomic中的一个类，它利用反射机制，在不创建额外对象的情况下，能够原子地更新某个类的指定volatile int字段。这种机制特别适用于那些实例数量非常多，且每个实例都需要原子更新某个字段的场景，因为它可以显著减少内存占用并提高性能。

二、AtomicIntegerFieldUpdater与AtomicInteger区别

AtomicInteger可以保证内部的属性的操作时原子性的；AtomicIntegerFieldUpdater是保证其他类的属性的操作时原子性的。当一个类新建时，可以选型Atomic类型的原子类，但当对已经存在的一个类，如要保证内部的操作为原子性，就要借助AtomicIntegerFieldUpdater了。

但是AtomicIntegerFieldUpdater也有它的局限性，它处理的类中的属性必须保证是int类型的（不能是Integer包装类型）、必须是volatile类型的，否则不能用AtomicIntegerFieldUpdater来保证其原子性。

它们之间的主要区别还体现在使用场景、内存占用、以及实现机制上。

1. 使用场景

AtomicInteger：适用于单个变量需要原子性操作的场景。当你需要在多线程环境下安全地增加或减少一个整数值时，AtomicInteger是一个很好的选择。它封装了一个volatile int变量，并提供了多种原子操作方法，如incrementAndGet()、decrementAndGet()等。
AtomicIntegerFieldUpdater：适用于类的实例数量较多，且每个实例都需要原子性地更新某个volatile int字段的场景。通过反射机制，AtomicIntegerFieldUpdater可以在不修改原有类结构的情况下，为类的指定字段提供原子更新能力。这种方式减少了为每个实例创建AtomicInteger对象的内存消耗，提高了性能。

2. 内存占用

AtomicInteger：每个需要原子性操作的变量都会创建一个AtomicInteger对象，因此在实例数量较多时，会占用较多的内存。
AtomicIntegerFieldUpdater：不需要为每个实例创建AtomicIntegerFieldUpdater对象，而是创建一个静态的AtomicIntegerFieldUpdater实例来更新所有实例的指定字段。这种方式显著减少了内存占用。

3. 实现机制

AtomicInteger：内部封装了一个volatile int变量，并通过CAS（Compare-And-Swap）操作来保证原子性。CAS是一种基于硬件的原子指令，它可以在不锁定对象的情况下，实现多个线程对同一个变量的安全访问和修改。
AtomicIntegerFieldUpdater：通过反射机制获取到类的指定字段的Field对象，然后利用sun.misc.Unsafe类的底层操作来实现CAS操作。Unsafe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。由于AtomicIntegerFieldUpdater是基于反射和Unsafe类实现的，因此它只能更新公共字段或具有公共setter方法的字段。

二、使用AtomicIntegerFieldUpdater的步骤

字段声明：被更新的字段必须是volatile int类型，这是使用AtomicIntegerFieldUpdater的前提条件。
创建Updater：使用AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater()静态方法创建一个AtomicIntegerFieldUpdater实例。这个方法需要两个参数：一个是包含要更新字段的类的Class对象，另一个是字段的名称（String类型）。
原子更新：通过Updater实例提供的方法（如compareAndSet、getAndIncrement、getAndSet等）进行原子更新操作。这些方法允许你在不锁定对象的情况下安全地更新字段。

三、AtomicIntegerFieldUpdater的优势

减少内存占用：使用AtomicIntegerFieldUpdater可以避免为每个需要原子更新的字段创建一个AtomicInteger对象，从而显著减少内存占用。这在处理大量实例时尤为重要。
提高性能：由于AtomicIntegerFieldUpdater直接操作底层字段，避免了通过方法调用间接访问字段的开销，因此在某些场景下，其性能可能优于使用AtomicInteger。
灵活性： AtomicIntegerFieldUpdater允许开发者在不改变现有类结构的情况下，为类中的某个字段提供原子更新能力。这种灵活性使得它非常适用于遗留代码的改造和优化。

AtomicIntegerFieldUpdater使用限制

（1）字段必须是volatile类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见.eg:volatile int value = 3

（2）字段的描述类型（修饰符public/protected/default/private）是与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。

（3）只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。

（4）只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的，这两个关键字不能同时存在。

（5）对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型（Integer/Long）。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

四、实际应用场景

缓冲区引用计数更新：在Netty等网络编程框架中，缓冲区（如ByteBuf）通常使用引用计数来管理内存。由于缓冲区实例的数量可能非常大，使用AtomicIntegerFieldUpdater来更新引用计数可以避免为每个缓冲区实例创建一个AtomicInteger对象，从而显著减少内存占用。
并发数据结构：在实现并发数据结构（如并发队列、并发哈希表等）时，AtomicIntegerFieldUpdater可以用于原子地更新数据结构的某些状态字段（如计数器、标记位等）。
性能监控：在需要对系统的某些性能指标进行原子更新时（如请求计数器、活跃用户数等），AtomicIntegerFieldUpdater可以提供一个高效且线程安全的更新机制。

五、使用

假设有一个银行账户类BankAccount，其中包含一个volatile int类型的余额字段balance。我们希望在多线程环境中，能够安全地对这个余额字段进行增加操作，以确保在并发转账时余额的准确性。

首先，我们定义BankAccount类，并使用AtomicIntegerFieldUpdater来更新余额字段。

代码语言：javascript复制

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerFieldUpdater;

public class BankAccount {
    // 使用volatile修饰，保证内存可见性
    private volatile int balance;

    // 静态的AtomicIntegerFieldUpdater实例，用于更新balance字段
    private static final AtomicIntegerFieldUpdater<BankAccount> balanceUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(BankAccount.class, "balance");

    public BankAccount(int initialBalance) {
        this.balance = initialBalance;
    }

    // 使用AtomicIntegerFieldUpdater增加余额
    public void deposit(int amount) {
        balanceUpdater.addAndGet(this, amount);
    }

    // 获取当前余额
    public int getBalance() {
        return balance;
    }
}

接下来，我们创建一个多线程测试类来模拟多个账户同时存款的情况。

代码语言：javascript复制

public class BankAccountTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 创建一个账户，初始余额为100
        BankAccount account = new BankAccount(100);

        // 创建多个线程来模拟存款操作
        int numThreads = 10;
        Thread[] threads = new Thread[numThreads];
        for (int i = 0; i < numThreads; i  ) {
            final int amount = 50; // 每个线程存款50
            threads[i] = new Thread(() -> {
                account.deposit(amount);
                System.out.println("Thread "   Thread.currentThread().getName()   " deposited. New balance: "   account.getBalance());
            });
            threads[i].start();
        }

        // 等待所有线程完成
        for (Thread t : threads) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }

        // 输出最终余额
        System.out.println("Final balance: "   account.getBalance());
    }
}

安全变量并发对象内存

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