Java并发 多线程实现计数功能（线程安全）

在上篇，我们利用线程池，信号量，倒计时相关类实现计数的功能，但运行结果总不能达到目标，我们将做以下改进。

1.首先附上源码，红色标注，是我们此次修改的地方

import javax.annotation.concurrent.ThreadSafe;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.Semaphore;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

@ThreadSafe
public class SafeCountExample {

    //请求总数
    private static int clientTotal = 5000;
    //线程数量
    private static int threadTotal = 200;

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws  Exception{

        ExecutorService exec = Executors.newCachedThreadPool();

        final Semaphore semaphore = new Semaphore(threadTotal);

        //每次固定数量的线程获取许可
        final CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(clientTotal);

        for (int i = 0; i < clientTotal ; i++) {
            exec.execute(()->{
                try {
                    semaphore.acquire();
                    add();
                    semaphore.release();
                }catch (Exception e){
                    e.printStackTrace();
                }
                countDownLatch.countDown();
            });

        }
        countDownLatch.await();
        exec.shutdown();
        System.out.println(count.get());

    }


    private static void add(){
        count.incrementAndGet();
    }
}

2.AtomicInteger详解

      2.1 AtomicInteger是一个支持原子操作的Integer类，它提供了原子自增方法、原子自减方法以及原子赋值方法等。其底层是通过volatile和CAS实现的，其中volatile保证了内存可见性，CAS算法保证了原子性。因此接下来我们先了解下volatile和CAS，然后在研究下AtomicInteger，unsafe相关的源码。

      2.2 CAS
        CAS（Compare And Swap）即比较并交换，CAS是乐观锁技术，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，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。它包含三个参数：V内存值，预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。原理图如下所示:

      2.3 volatile变量
        volatile是一种稍弱的同步机制，用来确保将变量的更新操作通知到其他线程。当把变量声明为volatile类型后，编译器与运行时都会注意到这个变量是共享的，因此不会将该变量上的操作与其他内存操作一起重排序。volatile变量不会被缓存在寄存器或者对其他处理器不可见的地方，因此在读取volatile类型的变量时总返回最新写入的值。在访问volatile变量时不会执行加锁操作，因此也就不会使执行线程阻塞，因此volatile变量是一种比sychronized关键字更轻量级的同步机制。

       2.4 源码分析

        2.4.1 AtomicInteger 部分源码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();//调用类Unsafe
    private static final long valueOffset;//变量value的内存偏移量
    private volatile int value;//volatile修饰的int变量value

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    public final int getAndSet(int newValue) {//设置新值并返回旧值
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {//如果当前值为expect，则设置为update
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
    public final int getAndIncrement() {//当前值加1返回旧值
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }

    public final int getAndDecrement() {//当前值减1返回旧值
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }

    public final int getAndAdd(int delta) {//当前值增加delta，返回旧值
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }

    public final int incrementAndGet() {//当前值增加1返回新值
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    public final int decrementAndGet() {//当前值减1，返回新值
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }
}

        2.4.1 unsafe部分源码 ：

public final class Unsafe {
    private static final Unsafe theUnsafe;
     
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do 
        //变量var5 调用底层的方法获取底层当前的值
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        //变量var1位count计数对象，变量var2当前值，变量为var4增加量
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

    public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

        return var6;
    }

    public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

        return var5;
    }

    public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));

        return var6;
    }

    public final Object getAndSetObject(Object var1, long var2, Object var4) {
        Object var5;
        do {
            var5 = this.getObjectVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapObject(var1, var2, var5, var4));

        return var5;
    }
}

分析：我们着重关注compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4)，这个方法，我们看到这是一个底层的实现方法

//变量var5 调用底层的方法获取底层当前的值

//变量var1位count计数对象，变量var2当前值，变量为var4增加量

每次传入的count对象var1时，将底层的值var5与当前的值var2进行比较

i. 若相同就将底层的值更新为var5+var4 

ii. 若不相同，则循环从底层获取最新的值，原因：在多线程的前提下，底层的值，可能已被别的线程修改。

因此：这样就保证变量的值为最新。