原子操作类实现原理
在Java中，多线程同时更新一个变量是不安全的，所以Java提供了多种原子操作类来实现变量的线程安全更新。这些原子操作类总体上可以分为4种原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性。
1、AtomicInteger实现原理
在多线程环境下，i++操作不是原子性的，存在线程不安全的问题。那如何实现线程安全的i++操作呢？在JDK1.5之前，需要通过synchronized关键字来确保多线程的安全性。虽然synchronized关键字能确保多线程的安全性，但是synchronized关键字涉及线程之间的资源竞争与锁的获取和释放，整体性能比较低。JDK1.5提供了int类型的原子类AtomicInteger。
1.1、设计原理
Thomas E. Anderson提出的SPIN ONTEST-AND-SET的设计思想。AtomicInteger就是采用了这一设计思想，在内部定义了一个volatile关键字修饰的int类型的value变量。另外，AtomicInteger通过CAS硬件原语方式对value变量进行修改，expect是每次修改前的value值，update是要修改的预期值。如果修改成功，可以按场景需要返回修改前的值或者修改后的值。伪代码如代码所示。
1.2、源码分析
AtomicInteger仅对Unsafe的底层接口做了相关的包装。
AtomicInteger的内部定义了static的全局变量Unsafe，同时定义了value字段在对象里的内存偏移量value。JVM通过对象的基础内存地址+内存偏移量就能快速获取value字段的内存地址，这种设计可以加快value字段内存寻址的速度。Unsafe初始化过程如代码所示。
1. value的读取与赋值
因为volatile关键字可以确保value的实时可见性与赋值的原子性，所以get方法与set方法都是线程安全的。getAndSet方法是通过Unsafe的getAndSetInt方法来实现线程安全性的。如下代码是value字段的读取与赋值方法。
2. value++与value--
针对数值的value++与value--操作，AtomicInteger提供了getAndIncrement、getAnd-Decrement、getAndAdd这3个方法，如代码所示。这3个方法都是调用Unsafe的getAndAddInt方法来实现的。
3. ++value与--value
对于数值的++value与--value操作并返回修改后的值，AtomicInteger提供了increment-AndGet、decrementAndGet、addAndGet方法，如代码所示。这3个方法都是调用Unsafe的getAndAddInt方法来实现的。
2、AtomicBoolean实现原理
AtomicBoolean的功能是线程安全地修改boolean类型的变量。AtomicBoolean提供了boolean类型变量的安全读取与修改方法，具体方法如表所示。
2.1、设计原理
虽然Java定义了boolean类型，但是只对它提供了非常有限的支持。JVM并没有定义boolean类型的操作能力，而是采用int类型来代替。同样，AtomicBoolean内部也定义了int类型的变量value，并用volatile关键字修饰。value的值为1表示true，value的值为0表示false。volatile能确保多线程的可见性。AtomicBoolean是通过VarHandle的CAS能力来实现数据修改的，并通过volatile与CAS组合来确保多线程的可见性与原子性。
2.2、源码分析
AtomicBoolean的功能完全是依赖VarHandle的CAS相关能力来实现的。AtomicBoolean仅仅是对VarHandle的底层接口进行了相关的封装。
1. VarHandle全局引用
AtomicBoolean的内部定义了static的全局变量VarHandle，这么做是为了保证JVM安全性，因为VarHandle直接和JVM进行交互，会存在一定的安全隐患。
2. boolean值的读取与设置
volatile关键字可以确保赋值操作可见性与原子性，get方法与set方法都是线程安全的。get方法是获取到int值后与0进行比较，不等于0就是true，等于0就是false。set方法会先把boolean转换为int后再设置值。
getAndSet方法每次会先调用get方法获取最新的值，然后调用VarHandle的getAndSet方法来修改value的值。boolean值的读取与设置如代码所示。
3. boolean值的比较与交换
compareAndSet方法会先将boolean类型的值转换为int，然后调用VarHandle的compare-AndSet方法来修改value的值，boolean值的比较与交换如代码清单所示。
3、AtomicIntegerArray实现原理
AtomicIntegerArray提供了安全修改int型数组元素的相关方法，具体方法如表所示。
3.1、设计原理
数组的数据是存储在堆内存中的，线程栈中只存储数组的引用指针，指向的是数组的内存首地址。每次操作数组中某个具体数据的时候，都只将数组中具体位置的元素读出来，对数据进行修改后写回，具体过程如图所示。
如下代码是一个简单的ArrayTest数组用例，用来演示数组的数据读写过程。ArrayTest定义了一个int数组，set方法对数组的0号元素进行了赋值。
可以通过javap-v ArrayTest.class命令来查看编译后的字节码，set方法的字节码如代码所示。
在JVM中，iastore指令专门用于对数组进行赋值。在执行iastore指令前，需要将值、索引、数组引用3个参数压入操作数栈。iastore指令会弹出这3个值，并将值赋给数组中指定索引位置上的值。在代码清单7-9中，getfield指令用于获取数组的首地址，iconst_0是在内存中定义了本地变量0（即数组的0号索引），然后调用bipush指令对数组的0号位置赋值22，最后调用iastore指令通过值、索引、数组引用来修改数组中0号索引位置上的值。多个线程同时修改数组的不同元素是可以做到线程安全的。如下图所示，线程1对0号索引位置元素进行修改不会影响线程2对1号索引位置元素的修改。
而线程1、线程2、线程3同时修改数组中1号索引位置上的数据，则会出现线程安全的问题，如图所示。
AtomicIntegerArray真正要解决的问题是：实现多线程同时对int数组中某个具体元素的线程的安全修改。由AtomicInteger实现原理可知，只要知道数组元素的内存偏移量，就可以通过VarHandle的相关方法来读取或者修改数组内容的值。
如下图所示，数组元素偏移量就是数组的首地址相对于对象的偏移量(baseOffSet)+每个元素的长度(scale)*具体的索引值，例如3号索引位置的内存偏移量就是baseOffSet+scale×3。
3.2、源码分析
AtomicIntegerArray通过VarHandle的volatile实现内存实时同步以及CAS原子性修改的相关能力。
1. VarHandle初始化
如代码所示，AtomicIntegerArray的内部定义了VarHandle的全局变量AA。
2. 数据读取与修改
数据读取是通过VarHandle的getVolatile来实现的。数据修改是通过VarHandle的setVolatile实现的。数据读取与修改的实现如代码所示。
3. CAS修改数组元素
compareAndSet方法提供了CAS修改数组元素的能力，如代码所示。
4. 数组元素加减
AtomicIntegerArray提供了一组对数组元素加1与减1的方法，这些方法最终都是调用VarHandle的getAndAdd方法来实现的，如代码所示。
4、AtomicIntegerFieldUpdater实现原理
AtomicIntegerFieldUpdater是一种基于反射的实用工具，可以对指定类的volatile关键字修饰的int字段进行原子性修改，以确保int类型数据修改的安全性。
如代码所示，AtomicIntegerUpdaterTest是一个AtomicIntegerFieldUpdater的使用示例，其内部定义了一个volatile关键字修饰的age属性（即年龄字段），以及AtomicIntegerFieldUpdater的更新器updater，然后在addAge方法里面调用了AtomicInte-gerFieldUpdater的addAndGet方法来增加age属性的值。
用AtomicIntegerFieldUpdater修改的字段需要用volatile关键字进行修饰，同时AtomicIntegerFieldUpdater构造函数需要用类名+字段名来构造更新器，并且字段是这个类自己定义的，而不是继承过来的。
如下代码是一个AtomicIntegerFieldUpdater错误使用的示例。AbstractUpdater抽象类定义了age属性，然后FailUpdater继承了抽象类AbstractUpdater。理论上，Fail-Updater获得了age的读写能力，但当FailUpdater定义了AtomicIntegerFieldUpdater的实例updater来更新age时，最终是失败的，系统会抛出NoSuchFieldException异常。
AtomicIntegerFieldUpdater提供了线程安全的int类型读取与修改方法，如表所示。
4.1、设计原理
AtomicIntegerFieldUpdater采用了模板方法的设计模式。AtomicIntegerFieldUpdater实现了数据修改的getAndSet、getAndIncrement、getAndAdd、incrementAndGet等相关方法。compareAndSet方法是扩展方法，由子类AtomicIntegerFieldUpdaterImpl来实现。Atomic-IntegerFieldUpdaterImpl的UML图如图所示。
AtomicIntegerFieldUpdaterImpl有两个重要的功能：一是通过反射获取到要修改的int字段的内存偏移量；二是调用Unsafe的CAS方法对字段进行线程安全的修改。Atomic-IntegerFieldUpdater整体上是由反射+Unsafe的能力组合实现的。
4.2、AtomicIntegerFieldUpdater源码分析
AtomicIntegerFieldUpdater实现了数据修改的相关方法，如代码所示。所有方法都是先通过get方法读取到预期值prev，然后调用compareAndSet方法来设置新的值。如果修改失败了，则通过while循环进行多次尝试。AtomicIntegerFieldUpdater定义了两个扩展方法：get方法，用来获取字段的当前值；compareAndSet方法，通过CAS方式来修改字段的值。
4.3、AtomicIntegerFieldUpdaterImpl源码分析
AtomicIntegerFieldUpdaterImpl的构造函数有3个参数：tclass是要修改字段的所属类，fieldName是要修改的字段名称，caller是调用者的类名称。在上面的例子中，Atomic-IntegerUpdaterTest中的tclass与caller都是AtomicIntegerUpdaterTest.class，而fieldName是age。构造函数首先会调用Class的getDeclaredField方法获取要修改的Field字段，如果字段不存在则抛出异常。接着调用ReflectUtil的ensureMemberAccess方法来修改字段的访问标志，确保caller能访问tclass中的Field字段。然后调用Unsafe的objectFieldOffset方法获取Field字段对应的内存偏移量。对象属性偏移量计算核心代码（中间去掉校验相关代码）如代码所示。
在构造函数内部获取到字段对应的内存偏移量，后面就可以调用Unsafe相关的int类型数据修改方法进行字段的修改了。
数据修改比较简单，就是调用Unsafe的compareAndSwapInt、putIntVolatile、getInt-Volatile等方法进行修改，如代码所示。
5、long的原子性修改实现原理
Java为long类型提供了线程安全的修改类。AtomicLong是long类型的原子类，Atomic-LongArray是long数组安全修改的原子类，AtomicLongFieldUpdater是long类型的线程安全修改的工具类。
5.1、AtomicLong
AtomicLong的设计原理和AtomicInteger基本上是一样的，内部定义了一个volatile关键字修饰的long类型的value变量。AtomicLong通过CAS硬件原语对值进行修改，expect是每次修改前的value的当前值，update是要修改的预期值。如果修改成功，返回值可以按场景需要返回修改前的值或者修改后的值。如果修改失败，则通过循环多次尝试修改，直到成功为止。
AtomicLong提供了线程安全的long类型变量的读取与修改方法，如表所示。
AtomicLong的功能完全依赖于Unsafe的volatile内存实时同步能力，以及CAS原子性修改的相关能力。AtomicLong和AtomicInteger的实现基本是一样的，有兴趣的读者可以自己查看源码。
5.2、AtomicLongArray
AtomicLongArray的设计原理和AtomicIntegerArray基本上也是一致的，读者可以自己打开源码试着分析一下。AtomicLongArray提供了线程安全的long数组的读取与修改方法，如表所示。
5.3、AtomicLongFieldUpdater
AtomicLongFieldUpdater的设计原理和AtomicIntegerFieldUpdater基本上是一致的。首先通过Java反射获取到要修改的long字段的内存偏移量，然后调用Unsafe的CAS相关方法实现long字段的线程安全读取与修改。AtomicLongFieldUpdater是由反射+Unsafe的能力组合实现的。AtomicLongFieldUpdater提供了线程安全的long类型数据读取与修改方法，如表所示。
AtomicLongFieldUpdater在实现上与AtomicIntegerFieldUpdater也基本是一样的。
6、LongAdder实现原理
相比synchronized阻塞算法，AtomicInteger、AtomicLong等原子计数器拥有更好的性能。但是在高并发的场景下，大量线程同时通过CAS方式更新一个变量，任意一个时刻只有一个线程能够成功，其他线程只能通过自旋方式进行尝试。在某些高并发场景下，AtomicInteger和AtomicLong的性能并不是很好，所以在JDK8中新增了LongAdder来满足高并发场景下的数据统计。LongAdder提供了多线程环境下的long的安全读取与修改方法，如表所示。
6.1、设计原理
在高并发的场景中，多个线程会同时通过CAS方式来修改对应的value，导致Atomic-Long的性能很低。LongAdder是采用分治算法的思想设计的。LongAdder定义了Cell数组（计算单元数组），每个Cell（计算单元）都能实现long值的计算。每个线程都会根据线程ID对数组进行取模来获取对应的Cell，这样每个线程都只会向对应的Cell发起计算请求。LongAdder的设计原理如图所示。
这样把原来多个线程对同一个long字段的CAS修改的竞争，转换成每个线程对自己的对应Cell的竞争。
整个Cell数组的最大长度为CPU的个数，例如CPU的个数为4，那Cell数组的最大长度为4。在没有并发冲突的情况下，仅有一个线程可以直接对base变量进行操作。当有两个线程同时操作LongAdder时，LongAdder才会开始构建Cell数组。当出现多个线程竞争同一个Cell的时候，LongAdder会每次进行倍数扩容，其扩容过程如图所示。
开始Cell数组只有两个元素，线程1与线程3同时操作Cell1节点，此时线程3会失败并触发扩容机制。数组扩容之后，线程1操作Cell 0节点，而线程3操作Cell 2节点。
数组的扩容采取的是渐进式扩容机制，这样能确保内存空 间与CPU使用效率之间的最大平衡，我们非常熟悉的ArrayList、HashMap也都采用了同样的扩容原理。
其中，i为数组下标，n为数组的长度。
6.2、源码分析
Cell是基础的计算单元，内部定义了一个volatile修饰的long类型的变量value，并提供了以CAS方式修改value的方法。Striped64主要提供了Cell数组的管理功能。LongAdder继承了抽象类Striped64，提供long类型数据的计数功能，UML图如图所示。
接下来采用自底向上的方式详细讲解LongAdder的源码实现。
1. Cell源码
Cell内部定义了两个变量：一个是volatile修饰的value，另一个是VarHandle的实例VALUE。Cell是通过VarHandle的weakCompareAndSetRelease方法来实现value字段的安全修改。Cell的具体实现如代码所示。
2. Striped64源码
Striped64定义了3个变量：计算单元的数组cells、数组操作锁状态cellsBusy，以及基础值base。cellsBusy表示数组操作的锁状态：0表示没有线程操作，1表示有线程操作。在对cells数组操作前，线程必须调用casCellsBusy方法来获取锁。Cell数据管理的实现如代码所示。
casCellsBusy就是调用VarHandle的compareAndSet方法来将cellsBusy修改成1，如果修改成功表示获取到锁了。在锁释放的时候，线程必须将cellsBusy设置为0，这样能够确保任一时刻只有一个线程管理Cell数组。
3. LongAdder源码
add方法是LongAdder的核心计算方法，它的功能是完成值的相加。increment方法与decrement方法都是通过add方法来实现的。但add方法的代码有点难以理解，所以笔者按照真实代码执行的顺序来讲解。在单线程操作时，add方法会调用casBase方法来修改base值，如果修改成功则直接返回。如果修改失败，add方法会调用Striped64的longAccumulate方法来计算。多线程同时操作时，add方法会先判断当前线程对应的Cell是否为空。如果Cell不为空，则add方法会调用Cell的cas方法进行线程安全的修改。如果Cell为null或者Cell计算失败，则调用Striped64的longAccumulate方法计算。longAccumulate方法会根据线程ID对Cell数组进行取模，找到对应的Cell，然后通过CAS方式修改Cell的值。代码是数值增加的实现。
sum方法的功能是统计整个LongAdder的值。LongAdder的值包含两部分：一部分是base的值，另一部分是Cell数组中所有元素的值。sum方法实现如代码所示。
sum方法的执行流程如下：首先将base的值赋给临时变量sum，然后逐个遍历Cell数组，将数组的值累加到sum中。因为整个统计过程并未加锁，所以sum方法统计到的可能是一个近似值。如果在统计过程中没有线程对base或者Cell数组中的值进行修改，则sum方法的结果是精准的。如果有其他线程在修改，sum方法统计到的就是一个近似值。
reset方法的功能是重置整个计数器的值，它主要包含两部分：一是重置base的值，将base的值设置为0；二是将Cell数组的每个Cell值设置为0。计数器重置的实现如代码所示。
