java 原子类实现原理_Java原子类及内部原理

一、引入

原子是世界上的最小单位,具有不可分割性。比如 a=0;(a非long和double类型) 这个操作是不可分割的,那么我们说这个操作是原子操作。再比如:a++;

这个操作实际是a = a + 1;是可分割的,所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题,需要我们使用同步技术(sychronized)来让它变成一

个原子操作。

但是,像i++这种非原子操作,我们除了使用synchroinzed关键字实现同步外,还可以使用java.util.concurrent.atomic提供的线程安全的原子类来实现,例如

AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。下面我们就基于AtomicInteger为例,来看看其内部实现。

二、AtomicInteger的内部实现

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();

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:

(1)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;

(2)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。

(3)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。

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。

三、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。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。

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。

但是CAS机制通常也存在以下缺点:

(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。

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