java并发编程-原子类

原子类

原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何线程上下文切换。

原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序不可以被打乱，也不可以被切割而只执行其中的一部分，将整个操作视作一个整体是原子性的核心特征。

而 java.util.concurrent.atomic 下的类，就是具有原子性的类，可以原子性地执行添加、递增、递减等操作。比如之前多线程下的线程不安全的 i++ 问题，到了原子类这里，就可以用功能相同且线程安全的 getAndIncrement 方法来优雅地解决。

作用

原子类的作用和锁有类似之处，是为了保证并发情况下线程安全。不过原子类相比于锁，有一定的优势：

粒度更细：原子变量可以把竞争范围缩小到变量级别，通常情况下，锁的粒度都要大于原子变量的粒度。
效率更高：除了高度竞争的情况之外，使用原子类的效率通常会比使用同步互斥锁的效率更高，因为原子类底层利用了 CAS 操作，不会阻塞线程。

原子类概览

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以 AtomicInteger 为例，分析在 Java 中如何利用 CAS 实现原子操作？

我们来看下 AtomicInteger 是如何通过 CAS 操作实现并发下的累加操作的，以其中一个重要方法 getAndAdd 方法为突破口。

public final int getAndAdd(int delta) {
   return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

可以看出，里面使用了 Unsafe 这个类，并且调用了 unsafe.getAndAddInt 方法。所以这里需要简要介绍一下 Unsafe 类。

Unsafe 类

Unsafe 其实是 CAS 的核心类。由于 Java 无法直接访问底层操作系统，而是需要通过 native 方法来实现。不过尽管如此，JVM 还是留了一个后门，在 JDK 中有一个 Unsafe 类，它提供了硬件级别的原子操作，我们可以利用它直接操作内存数据。

那么我们就来看一下 AtomicInteger 的一些重要代码，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，在数据定义的部分，首先还获取了 Unsafe 实例，并且定义了 valueOffset。往下看到 static 代码块，这个代码块会在类加载的时候执行，执行时会调用 Unsafe 的 objectFieldOffset 方法，从而得到当前这个原子类的 value 的偏移量，并且赋给 valueOffset 变量，这样一来就获取到了 value 的偏移量，它的含义是在内存中的偏移地址，因为 Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据的原值的，这样就能通过 Unsafe 来实现 CAS 了。

value 是用 volatile 修饰的，它就是原子类存储的值的变量，由于它被 volatile 修饰，就可以保证在多线程之间看到的 value 是同一份，保证了可见性。

接下来继续看 Unsafe 的 getAndAddInt 方法的实现，代码如下：

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;
}

首先看一下结构，它是一个 do-while 循环，所以这是一个死循环，直到满足循环的退出条件时才可以退出。

do 后面的这一行代码 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2)是个 native 方法，作用就是获取在 var1 中的 var2 偏移处的值。

传入的两个参数，第一个就是当前原子类，第二个是最开始获取到的 offset，这样一来就可以获取到当前内存中偏移量的值，并且保存到 var5 里面。此时 var5 实际上代表当前时刻下的原子类的数值。

现在再来看 while 的退出条件，也就是 compareAndSwapInt 这个方法，它一共传入了 4 个参数，这 4 个参数是 var1、var2、var5、var5 + var4，为了方便理解，给它们取了新了变量名，分别 object、offset、expectedValue、newValue，具体含义如下：

• 第一个参数 object 就是将要操作的对象，传入的是 this，也就是 atomicInteger 这个对象本身；
• 第二个参数是 offset，也就是偏移量，借助它就可以获取到 value 的数值；
• 第三个参数 expectedValue，代表“期望值”，传入的是刚才获取到的 var5；
• 最后一个参数 newValue 是希望修改的数值 ，等于之前取到的数值 var5 再加上 var4，而 var4 就是之前所传入的 delta，delta 就是希望原子类所改变的数值，比如可以传入 +1，也可以传入 -1。
  所以 compareAndSwapInt 方法的作用就是，判断如果现在原子类里 value 的值和之前获取到的 var5 相等的话，那么就把计算出来的 var5 + var4 给更新上去，所以说这行代码就实现了 CAS 的过程。

一旦 CAS 操作成功，就会退出这个 while 循环，但是也有可能操作失败。如果操作失败就意味着在获取到 var5 之后，并且在 CAS 操作之前，value 的数值已经发生变化了，证明有其他线程修改过这个变量。

这样一来，就会再次执行循环体里面的代码，重新获取 var5 的值，也就是获取最新的原子变量的数值，并且再次利用 CAS 去尝试更新，直到更新成功为止，所以这是一个死循环。