Java原子类实现原理分析

作者简介：
华哥
10年+后端开发工作经验，
主要分享：关于java体系的知识，如：java基础知识/数据结算/算法，Spring/MyBatis/Netty源码分析，高并发/高性能/分布式/微服务架构的原理，JVM性能优化等。
公众号：java杂记

在谈谈java中的volatile一文中，我们提到过并发包中的原子类可以解决类似num++这样的复合类操作的原子性问题，相比锁机制，使用原子类更精巧轻量，性能开销更小，本章就一起来分析下原子类的实现机理。

悲观的解决方案（阻塞同步）
我们知道，num++看似简单的一个操作，实际上是由1.读取 2.加一 3.写入 三步组成的，这是个复合类的操作（所以我们之前提到过的volatile是无法解决num++的原子性问题的），在并发环境下，如果不做任何同步处理，就会有线程安全问题。最直接的处理方式就是加锁。

synchronized(this){
num++;
}
使用独占锁机制来解决，是一种悲观的并发策略，抱着一副“总有刁民想害朕”的态势，每次操作数据的时候都认为别的线程会参与竞争修改，所以直接加锁。同一刻只能有一个线程持有锁，那其他线程就会阻塞。线程的挂起恢复会带来很大的性能开销，尽管jvm对于非竞争性的锁的获取和释放做了很多优化，但是一旦有多个线程竞争锁，频繁的阻塞唤醒，还是会有很大的性能开销的。所以，使用synchronized或其他重量级锁来处理显然不够合理。

乐观的解决方案（非阻塞同步）
乐观的解决方案，顾名思义，就是很大度乐观，每次操作数据的时候，都认为别的线程不会参与竞争修改，也不加锁。如果操作成功了那最好；如果失败了，比如中途确有别的线程进入并修改了数据（依赖于冲突检测），也不会阻塞，可以采取一些补偿机制，一般的策略就是反复重试。很显然，这种思想相比简单粗暴利用锁来保证同步要合理的多。

鉴于并发包中的原子类其实现机理都差不太多，本章我们就通过AtomicInteger这个原子类来进行分析。我们先来看看对于num++这样的操作AtomicInteger是如何保证其原子性的。

/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
我们来分析下incrementAndGet的逻辑：

1.先获取当前的value值

2.对value加一

3.第三步是关键步骤，调用compareAndSet方法来来进行原子更新操作，这个方法的语义是：

先检查当前value是否等于current，如果相等，则意味着value没被其他线程修改过，更新并返回true。如果不相等，compareAndSet则会返回false，然后循环继续尝试更新。

compareAndSet调用了Unsafe类的compareAndSwapInt方法

/**
* Atomically sets the value to the given updated value
* if the current value {@code ==} the expected value.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return true if successful. False return indicates that
* the actual value was not equal to the expected value.
*/
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
Unsafe的compareAndSwapInt是个native方法，也就是平台相关的。它是基于CPU的CAS指令来完成的。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

CAS(Compare-and-Swap)　　
CAS算法是由硬件直接支持来保证原子性的，有三个操作数：内存位置V、旧的预期值A和新值B，当且仅当V符合预期值A时，CAS用新值B原子化地更新V的值，否则，它什么都不做。

CAS的ABA问题

当然CAS也并不完美，它存在”ABA”问题，假若一个变量初次读取是A，在compare阶段依然是A，但其实可能在此过程中，它先被改为B，再被改回A，而CAS是无法意识到这个问题的。CAS只关注了比较前后的值是否改变，而无法清楚在此过程中变量的变更明细，这就是所谓的ABA漏洞。

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