深入了解 Java JUC（一）之 atomic（原子数据类的包）

目录

1. JUC简介：

2. atomic（原子数据类的包）内部实现原理

3. 以 AtomicInteger 为例，内部的CAS实现

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1. JUC简介：

        JUC 是 java.util.concurrent 的简称，在 Java 5.0 提供了 java.util.concurrent(简称JUC)包,这个包包含了一系列能够让 Java 的并发编程变得更加简单轻松的工具类，在这之前，你需要自己手动去实现相关的工具类。JUC包主要包括五部分内容：

1. atomic（原子数据类的包）

2. locks (Java 锁机制---注意区别于synchronized 关键字)

3. collections （提供并发集合框架）

4. executor （线程任务的执行者）

5. tools （辅助工具包 CountDownLatch，CyclicBarrier，Exchanger）

2. atomic（原子数据类的包）内部实现原理

 

        为了后面的内容看起来更容易懂，首先在讲之前先补充几个知识点：

•         从JVM 编译后的指令解释：为什么 i++ 不是原子操作？https://blog.csdn.net/weixin_38497019/article/details/99677684
•         Java 并发编程之 volatile 关键字：https://blog.csdn.net/weixin_38497019/article/details/99430092

        接下来开始介绍：atomic是原子类的包，在源码里，atomic自己就是一个包，支持对单个变量进行无锁线程的安全编辑， 如AtomicInteger，修饰单个变量，可以实现int类型原子的加。

        本质上，它扩展了volatile的概念并且提供了一个方法:

boolean compareAndSet(expectedValue,  updateValue)；

        这个方法底层用CAS（compare and swap算法）实现。

 CAS 算法介绍：

• CAS(Compare-And-Swap) 算法是硬件对于并发的支持,针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令,用于管理对共享数据的并发访问;
• CAS 是一种无锁的非阻塞算法的实现;
• CAS 包含了三个操作数（V, A, B）:

-- 需要读写的内存值: V

-- 进行比较的预估值: A

-- 拟写入的更新值: B

-- 当且仅当 V == A 时, V = B, 否则,将不做任何操作;

        简单来说，CAS的含义是：“如果在修改V的值的时候，首先我认为V的值应该是A，如果是，那么将V的值更新为B，如果此时V的值不是A，那么不做修改并告诉V的值实际为多少”。

        CAS是一项乐观的技术，它希望能成功地执行更新操作，并且如果有另一个线程在最近一次检查后更新了该变量，那么CAS能检测到这个错误。当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其他线程都将失败。但是，失败的线程并不会被挂起（这就是与获取锁的机制不同之处），而是被告知在这次竞争中失败，并可以多次尝试。这种灵活性就大大减少了与锁相关的活跃性风险。

3. 以 AtomicInteger 为例，内部的CAS实现

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();
    // valueOffset 为value的偏移地址（此注释是我自己加的，源码中没有这个注释）
    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 AtomicInteger(int initialValue) {
        value = initialValue;
    }

    public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.applyAsInt(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
}

说明： 从源码中就可以看到AtomicInteger内部都是使用了Unsafe类来进行CAS操作，valueOffset表示的是value值的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的, 偏移量可以简单理解为指针指向该变量的内存地址。 value使用volatile关键字修饰，直接从共享内存中操作变量，保证多线程之间看到的value值是同一份。

      我们以方法getAndUpdate()为例进行说明，执行步骤如下：

1. 从内存中读取修改前的值prev，并执行给定函数式计算修改后的值next；
2. 调用compareAndSet修改value值（内部是调用了unsafe的compareAndSwapInt方法）。如果此时有其他线程也在修改这个value值，那么CAS操作就会失败，继续进入do循环重新获取新值，再次执行CAS直到修改成功。

 

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