Atomic原子类及原理

目录

1 前言

2 unsafe类对Atomic原子类的支持

3 AtomicInteger的内部实现

3.1 准备

3.2 读

3.3 写

4 CAS机制

4.1 基本操作数

4.2 例子

4.3 缺点

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1 前言

当一个线程更新一个变量时，程序如果没有正确的同步，那么这个变量对于其他线程来说是不可见的。我们通常使用synchronized或者volatile来保证线程安全的更新共享变量。在JDK1.5中，提供了java.util.concurrent.atomic包，这个包中的原子操作类提供了一种用法简单，性能高效，线程安全地更新一个变量的方式。

Atomic包里一共提供了13个类，有4种类型的原子更新方式：原子更新基本类型（如AtomicInteger）、原子更新数组（如AtomicIntegerArray）、原子更新引用（如AtomicReference）和原子更新属性（如AtomicIntegerFieldUpdater）。

2 unsafe类对Atomic原子类的支持

Java中的Unsafe类为我们提供了类似C++手动管理内存的能力，从名字中我们可以看出来这个类对普通程序员来说是“危险”的，一般应用开发者不会用到这个类。unsafe可以参考：Java中的unsafe。Atomic原子类的基本都是使用unsafe类实现的，对原子类的操作基本有3个方面：准备、读、写。

• 准备：unsafe类提供了相关方法来获取实例中值的偏移量，通过该偏移量unsafe类可以直接对原子类内存地址中的值进行获取和修改。

public native long staticFieldOffset(Field var1);
 
public native long objectFieldOffset(Field var1);
 
public native Object staticFieldBase(Field var1);
 
public native int arrayBaseOffset(Class var1);
 
public native int arrayIndexScale(Class var1);

staticFieldOffset方法用于获取静态属性Field在对象中的偏移量，读写静态属性时必须获取其偏移量。objectFieldOffset方法用于获取非静态属性Field在对象实例中的偏移量，读写对象的非静态属性时会用到这个偏移量。staticFieldBase方法用于返回Field所在的对象。arrayBaseOffset方法用于返回数组中第一个元素实际地址相对整个数组对象的地址的偏移量。arrayIndexScale方法用于计算数组中第一个元素所占用的内存空间。

• 读：对于原子类中存储的值，unsafe提供了方法来对内存地址中的值进行volatile级别的获取。

// getIntVolatile方法用于在对象指定偏移地址处volatile读取一个int
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);

• 写：unsafe提供了3种CAS操作（乐观锁），来对原子类进行修改。

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
 
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
 
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

在Java的基本类型中除了Atomic包中提供原子更新的基本类型外，还有char、float和double。那么这些在Atomic包中没有提供原子更新的基本类型怎么保证其原子更新呢?

从AtomicBoolean源码中我们可以得到答案：首先将Boolean转换为整型，然后使用comareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float、double同样可以以此实现。

3 AtomicInteger的内部实现

以AtomicInteger为例来看一下上面的实现过程。

3.1 准备

下面静态代码块中的objectFieldOffset方法，获取value属性在AtomicInteger实例中的偏移量valueOffset，后面操作value时必须要用到这个偏移量。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // 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;

这段代码我们需要注意一下几个方面：

• unsafe字段，AtomicInteger包含了一个Unsafe类的实例，unsafe就是用来实现CAS机制的，CAS机制我们在后面会讲到；
• value字段，表示当前对象代码的基本类型的值，AtomicInteger是int型的线程安全包装类，value就代码了AtomicInteger的值。注意，这个字段是volatile的。
• valueOfset，指是value在内存中的偏移量，也就是在内存中的地址，通过Unsafe.objectFieldOffset(Field f)获取。这个值在使用CAS机制的时候会用到。
• objectFieldOffset方法用于获取非静态属性Field在对象实例中的偏移量，读写对象的非静态属性时会用到这个偏移量。

3.2 读

AtomicInteger本身提供了get()来获取value值，该方法直接返回value变量。因为value变量是volatile类型，这就保证get()读到的是最新值，因为是直接从主内存中读取value 。

private volatile int value;           
// volatile保证get()读到的是最新值，因为直接从主内存中读取value 
public final int get() {    return value;    }

再来看AtomicInteger的getAndAdd()，直接调用的unsafe类的getAndAddInt()。可以看到调用了unsafe.getIntVolatile()和unsafe.compareAndSwapInt()两个方法。

    // AtomicInteger方法。将value设置为delta，返回修改之前的值
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    // unsafe方法。当使用CAS修改成功时才返回值
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);    // 获取AtomicInteger的value
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

3.3 写

上面介绍读的时候也看到了AtomicInteger.getAndAdd()中使用到了unsafe.compareAndSwapInt()。下面我们来看一个AtomicInteger类中的主要方法getAndIncrement()，也就相当于i++操作，只不过它是线程安全的，其实现代码如下：

public final int getAndIncrement() {
         for (;;) {
             int current = get();
             int next = current + 1;
             if (compareAndSet(current, next))
                 return current;
         }
 }

       这个方法的做法为先获取到当前的 value 属性值，然后将 value 加 1，赋值给一个局部的 next 变量，然而，这两步都是非线程安全的，但是内部有一个死循环，不断去做compareAndSet操作，直到成功为止，也就是修改的根本在compareAndSet方法里面。compareAndSet()方法的代码如下：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
 }

      compareAndSet 传入的为执行方法时获取到的 value 属性值，update为加 1 后的值， compareAndSet所做的为调用 Sun 的 UnSafe 的 compareAndSwapInt方法来完成，此方法为 native 方法，compareAndSwapInt 基于的是CPU 的 CAS指令来实现的。下面我们将详细的来介绍一下CAS的实现原理。

4 CAS机制

CAS是英文单词Compare And Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

4.1 基本操作数

CAS机制当中使用了3个基本操作数：

（1）内存地址V，也就是AtomicInteger中的valueOffset。

（2）旧的预期值A，也就是getAndIncrement方法中的current。

（3）要修改的新值B，也就是getAndIncrement方法中的next。

4.2 例子

CAS机制中，更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。下面我们来看一个具体的例子：

（1）在内存地址V当中，存储着值为10的变量。

（2）此时线程1想要把变量的值增加1。对线程1来说，旧的预期值A=10，要修改的新值B=11。

（3）但是，在线程1要提交更新之前，另一个线程2抢先一步，把内存地址V中的变量值率先更新成了11。

（4）此时，线程1开始提交更新，首先进行A和地址V的实际值比较（Compare），发现A不等于V的实际值，提交失败。

（5）线程1重新获取内存地址V的当前值，并重新计算想要修改的新值。此时对线程1来说，A=11，B=12。这个重新尝试的过程被称为自旋。

（6）这一次比较幸运，没有其他线程改变地址V的值。线程1进行Compare，发现A和地址V的实际值是相等的。

（7）线程1进行替换，把地址V的值替换为B，也就是12。

      对比Synchronized，我们可以发现，Synchronized属于悲观锁，悲观地认为程序中的并发情况严重，所以严防死守。CAS属于乐观锁，乐观地认为程序中的并发情况不那么严重，所以让线程不断去尝试更新。

4.3 缺点

（1）ABA问题

       如果V的初始值是A，在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那么能说它没有改变过吗？也许V经历了这样一个过程：它先变成了B，又变成了A，使用CAS检查时

以为它没变，其实却已经改变过了。

（2）CPU开销较大

     在并发量比较高的情况下，如果许多线程反复尝试更新某一个变量，却又一直更新不成功，循环往复，会给CPU带来很大的压力。

（3）不能保证代码块的原子性

     CAS机制所保证的只是一个变量的原子性操作，而不能保证整个代码块的原子性。比如需要保证3个变量共同进行原子性的更新，就不得不使用Synchronized了。