Java原子类

概述

原子类由CAS操作保证原子性，由volatile关键字保证可见性。

原子类自jdk 1.5开始出现，位于j.u.c.atomic包下面，包含12个类，jdk 1.8又新增了4个性能更好的原子类。

可以粗略分成五类：

1.整型、长整型、布尔型、引用类型的原子类

AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean、AtomicReference

2.整型数组、长整型数组、引用数组的原子类

AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

3.整型字段、长整型字段、引用字段更新的原子类

AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

4.解决ABA问题的原子类

AtomicMarkableReference、AtomicStampedReference

5.jdk 1.8新增的更高性能的原子累加器

LongAdder、DoubleAdder、LongAccumulator、DoubleAccumulator

实现分析1

原子类的底层操作都是通过sun.misc.Unsafe类完成，每个原子类内部都有一个Unsafe类的静态引用。Unsafe类中大部分都是native方法。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

AtomicInteger内部由一个int域来保存值，其由volatile关键字修饰，用于保证可见性。类似的，AtomicLong内部是一个long型的value，AtomicBoolean内部也是一个int，但其只会取值0或1。

private volatile int value;

下面以AtomicInteger为例说明Atomic原子类的实现。

AtomicInteger中有一个compareAndSet方法，通过CAS对变量进行原子更新。它通过调用Unsafe的native函数实现：unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)。compareAndSwapInt这个native方法的代码在unsafe.cpp中。

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
    UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
    oop p = JNIHandles::resolve(obj);
    jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
    return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END

其中调用了Atomic类的cmpxchg静态方法，并将返回值与e进行比较，e是期待值，即原先的旧值。cmpxchg其定义在atomic.hpp中，实现在atomic.cpp中，但最终具体的实现和目标操作系统有关，在atomic.cpp中包含了很多条件编译语句，如下。

#ifdef TARGET_OS_FAMILY_windows
# include "os_windows.inline.hpp"
#endif
....
#ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86
# include "atomic_linux_x86.inline.hpp"
#endif
....

对于linux x86而言，具体实现代码在atomic_linux_x86.inline.hpp中，可以看到其中内嵌了AT&T格式的汇编。

inline jint  Atomic::cmpxchg (jint  exchange_value, volatile jint*  dest, jint  compare_value) {
    int mp = os::is_MP();
    __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
                    : "=a" (exchange_value)
                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
                    : "cc", "memory");
    return exchange_value;
}

其中is_MP是os的静态内联方法，实现在os.cpp中，判断当前系统是否是多处理器的。

static inline bool is_MP() {
    assert(_processor_count > 0, "invalid processor count");
    return _processor_count > 1;
}

__asm__表示后面的代码是内嵌汇编，volatile表示编译器不要优化代码，后面的指令保持原样。内嵌汇编语的表达格式是：

__asm__(
    "汇编语句模板"
    :输出
    :输入
    :破坏描述
)

代码中的”=a”中=表示输出，而“a”表示eax寄存器，变量前的“r”表示任意寄存器，“cc”表示告诉编译器该指令的执行将影响到标志寄存器，要每次重新读取，而“memory”则是告诉编译器该指令需要重新从内存中读取变量的最新值，而不要从缓存了的寄存器中读取。

LOCK_IF_MP是个宏定义，包含了多条汇编指令(汇编中指令用分号或换行来分隔)。该宏的注释写得很清楚，如果是在多处理器机器上则添加lock前缀。

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "

LOCK_IF_MP和后面的cmpxchgl指令合起来就类似如下汇编语句：
cmp $0, #mp               //$0表示立即数0，cmp是比较指令，若mp等于0则会置标志位ZF=1，ZF即Zero Flag
je 1f                              //je为跳转指令，当ZF=1时，je des表示跳转到des处，此处表示跳转到标签1
lock                              //lock前缀
1: cmpxchgl %1,(%3) //1表示一个标签，类似goto语句的标签

从上面的代码中可以看到，如果是CPU是多处理器(multi processors)的话，会添加一个lock前缀，即变成lock cmpxchgl，如果是单处理器则只需要执行cmpxchgl指令。lock前缀属于内存屏障，它的作用是在执行后面指令的过程中锁总线(或者是锁cacheline)，保证一致性。后面的cmpxchgl(即Compare and Exchange，末尾的l表示操作数长度为4)就是Intel x86的比较并交换汇编指令。Intel手册中对cmpxchg的描述(accumulator表示eax寄存器)如下:

– If (accumulator == destination)

{ ZF <- 1; destination <- source; }

– If (accumulator != destination)

{ ZF <- 0; accumulator <- destination; }

cmpxchgl的详细执行过程：

首先，输入是"r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)，表示compare_value存入eax寄存器，而exchange_value、dest、mp的值存入任意的通用寄存器。嵌入式汇编规定把输出和输入寄存器按统一顺序编号，顺序是从输出寄存器序列从左到右从上到下以“%0”开始，分别记为%0、%1···%9。也就是说，输出的eax是%0，输入的exchange_value、compare_value、dest、mp分别是%1、%2、%3、%4。

因此，cmpxchgl %1,(%3)实际上表示cmpxchgl exchange_value,(dest)，此处(dest)表示dest地址所存的值。需要注意的是cmpxchgl有个隐含操作数eax，其实际过程是先比较eax的值(也就是compare_value)和dest地址所存的值是否相等，如果相等则把exchange_value的值写入dest指向的地址。如果不相等则把dest地址所存的值存入eax中。

输出是"=a" (exchange_value)，表示把eax中存的值写入exchange_value变量中。

Atomic::cmpxchg这个函数最终返回值是exchange_value，也就是说，如果cmpxchgl执行时compare_value和dest指针指向内存值相等则会使得dest指针指向内存值变成exchange_value，最终eax存的compare_value赋值给了exchange_value变量，即函数最终返回的值是原先的compare_value。此时Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true，表明CAS成功。如果cmpxchgl执行时compare_value和(dest)不等则会把当前dest指针指向内存的值写入eax，最终输出时赋值给exchange_value变量作为返回值，导致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到false，表明CAS失败。

假设原值为old，存在ptr所执行的位置，想写入新值new，那么cmpxchg实现的功能就是比较old和ptr指向的内容，如果相等则ptr所指地址写入new，然后返回old，如果不相等则把ptr当前所指向地址存的值返回。

AtomicInteger还包含一系列原子的类似i++、++i、i--、--i的操作函数，即getAndIncrement、incrementAndGet、getAndDecrement、decrementAndGet。

在jdk1.6和jdk1.7中，这些函数都通过调用AtomicInteger类的compareAndSet来实现(CAS Loop，不断重试直到成功)，比如getAndIncrement。

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

在jdk1.8中，这些函数全都通过调用Unsafe类的getAndAddInt函数来实现，而getAndAddInt实际上仍然是调用了Unsafe的compareAndSwapInt函数。不过，在jdk1.8中新增的getAndUpdate、updateAndGet、getAndAccumulate、accumulateAndGet等函数都是通过AtomicInteger类的compareAndSet来实现。

AtomicInteger还有一个方法lazySet比较特别，其注释是Eventually sets to the given value，它通过unsafe的putOrderedInt函数实现，也是一个native方法。使用lazySet设置值时，不保证能立即被其他线程读取到新设置的值。它和set方法的在实现上的区别在于插入的内存屏障不同，set后面会插入store-load屏障，确保能被其他线上立即读取到，而lazySet则只插入store-store屏障，是一种底层的优化手段。Doug Lea原话为：For people who like to think of these operations in terms of machine-level barriers on common multiprocessors, lazySet provides a preceeding store-store barrier (which is either a no-op or very cheap on current platforms), but no store-load barrier (which is usually the expensive part of a volatile-write)."

在x86系统上，不会对store-store操作进行重排序，实际上也无需插入store-store屏障，因此lazySet最终会被编译成mov指令，而set则是mov指令后面还跟着一句lock addl $0x0,(%rsp)，即插入了store-load屏障。

AtomicLong内部结构和AtomicInteger类似，其调用的是unsafe.compareAndSwapLong和unsafe.getAndAddLong，另外它比AtomicInteger多了一个静态boolean变量VM_SUPPORTS_LONG_CAS，表示底层JVM是否支持long类型(8字节)的无锁CAS，其值通过调用native方法VMSupportsCS8得到。

unsafe的compareAndSwapLong的实现也在unsafe.cpp中。如果平台支持8字节的CAS操作，则会调用Atomic::cmpxchg方法，除了返回值类型是long外，和AtomicInteger唯一的不同之处是，使用的内嵌汇编指令是cmpxchgq而不再是cmpxchgl。如果平台不支持8字节的CAS操作，就会加锁然后进行设置操作。

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapLong(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jlong e, jlong x))
    UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapLong");
    Handle p (THREAD, JNIHandles::resolve(obj));
    jlong* addr = (jlong*)(index_oop_from_field_offset_long(p(), offset));
    if (VM_Version::supports_cx8())
        return (jlong)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
    else {
        jboolean success = false;
        ObjectLocker ol(p, THREAD);
        if (*addr == e) { *addr = x; success = true; }
        return success;
    }
UNSAFE_END

AtomicReference类内部并不是直接包含一个Object类型，它实际上是个泛型类。

public class AtomicReference implements java.io.Serializable {
    private volatile V value;
    ....
}

参考：

http://brokendreams.iteye.com/blog/2250109

unsafe.cpp：http://hg.openjdk.java.net/jdk7u/jdk7u/hotspot/file/b9b4bc1e05e2/src/share/vm/prims/unsafe.cpp

atomic.hpp：http://hg.openjdk.java.net/jdk7u/jdk7u/hotspot/file/b9b4bc1e05e2/src/share/vm/runtime/atomic.hpp

atomic.cpp：http://hg.openjdk.java.net/jdk7u/jdk7u/hotspot/file/b9b4bc1e05e2/src/share/vm/runtime/atomic.cpp

atomic_linux_x86.inline.hpp：http://hg.openjdk.java.net/jdk7u/jdk7u/hotspot/file/b9b4bc1e05e2/src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp

os.hpp：http://hg.openjdk.java.net/jdk7u/jdk7u/hotspot/file/b9b4bc1e05e2/src/share/vm/runtime/os.hpp

Intel cmpxchg指令说明：http://heather.cs.ucdavis.edu/~matloff/50/PLN/lock.pdf

lazySet vs set：http://stackoverflow.com/questions/1468007/atomicinteger-lazyset-vs-set

实现分析2

AtomicIntegerArray内部包含一个final数组，共有2个构造函数。如果直接将普通数组传给AtomicIntegerArray，其会先复制一份数据。

private final int[] array;
public AtomicIntegerArray(int length) {
    array = new int[length];
}
public AtomicIntegerArray(int[] array) {
    // Visibility guaranteed by final field guarantees
    this.array = array.clone();
}

AtomicIntegerArray类的方法都会比AtomicInteger对一个参数，用于指明数组下标。

AtomicIntegerArray类内部也通过Unsafe类来实现，比如get和set分别调用了Unsafe的getIntVolatile以及putIntVolatile(get、set前会先做下标是否越界的检查)，即分别以volatile读和volatile写的方式实现。AtomicInteger中由于value只有一个值，直接声明为volatile，那么get和set就和普通变量类似的直接返回值或直接赋值就行，因为编译器对声明为volatile的变量自动会进行处理(插入适当的内存屏障)。而AtomicIntegerArray则不一样，由于内部是个整型数组int[]，不支持直接对数组声明为volatile，因此需要在代码层显式处理。

AtomicLongArray也是类似，内部是一个final long[] array，get和set时调用的是long的版本，unsafe.getLongVolatile和unsafe.putLongVolatile。由于long是8字节，在底层实现时也会判断下平台是否支持8字节的原子操作，不支持则需要加锁。

AtomicReferenceArray和AtomicReference类似，也是一个泛型类，内部是final Object[] array。get和set时调用的unsafe.getObjectVolatile和unsafe.putObjectVolatile。

实现分析3

待续