原子类AtomicInteger实现浅析

1 前言

在多线程程序中，如果多个线程同时更新一个共享变量，可能会出现预料之外的奇怪的值。普通的变量无法在多线程下做到可见性、一致性、原子性，也就无法保证线程安全。在JDK的java.util.concurrent.atomic包中提供许多原子操作类，它们可以简单、 高效、安全地更新一个变量。现在介绍其中的基本类型的原子操作类。

基本数据类型有boolean 、 char 、 byte 、 short 、int 、long 、 float 、double 这8种，但其原子类只有AtomicBoolean AtomicInteger AtomicLong.其他未包含的基本类型可通过一些操作转换成原子类型。如：只取AtomicInteger 的低32位(低位的两字节)可作为short 的原子类，将double放大10ⁿ倍将其变为整数，然后就可使用AtomicLong原子类。这3个类的实现基本相同，这里以AtomicInteger为例作说明

2 方法说明

主要API如下

//以原子方式获取旧值并设置新值
public final int getAndSet(int newValue)
//以原子方式获取旧值并自增1
public final int getAndIncrement()
//以原子方式获取旧值并自减1
public final int getAndDecrement()
//以原子方式获取旧值并给当前值加delta
public final int getAndAdd(int delta)
//以原子方式给当前值自增1并获取新值
public final int incrementAndGet()
//以原子方式给当前值自减1并获取新值
public final int decrementAndGet()
//以原子方式给当前值加上delta并获取新值
public final int addAndGet(int delta)

3 实现原理

上面的这些API都会使用到Unsafe类的相关方法,可以说原子类的实现关键在于Unsafe。AtomicInteger使用一个int类型的成员变量value来表示原子类所代表的数值, value使用volatile关键字修饰，在多线程环境中能保证其可见性。Unsafe类可以在本地内存中直接操作value.

private volatile int value;

AtomicInteger有两个构造方法，带参构造方法用参数指定初始值，无参数构造方法将初始值设为0

public AtomicInteger(int initialValue) {
    value = initialValue;
}
public AtomicInteger() {
}

Unsafe.objectFieldOffset(Field)方法能根据成员变量的反射表示形式Filed 获取内存中对象起始位置objAddr至此成员变量位置fieldAddr的相对偏移量offset，在已知对象起始位置和成员变量相对偏移量offset时，可计算出成员变量在内存中的绝对地址,即fieldAddr=objAddr+offset。Unsafe是系统底层类，它的所有方法几乎都是(native)本地方法，本地方法是用C/C++实现的，C/C++方法根据变量的内存地址可直接操作变量value，它能越过访问修改符的访问限制。Unsafe操作成员变量的方法签名几乎都是XXX(Object obj,long offset ,? x),它要求调用者同时提供对象的引用obj(知道对象的引用也就能获取对象的起始地址)及成员变量的相对偏移量offset,根据这两个已知量即可求出此成员变量在内存中的绝对地址。

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); }
}

原子类是基于CAS实现的，具体表现在原子类API的调用链底层使用Unsafe.compareAndSwapXX方法.

如getAndSet方法使用Unsafe.getAndSetInt实现，而getAndSetInt方法体主要是一个while自旋循环体，while循环体的核心方法是compareAndSwapInt方法，这是一个CAS方法。

//AtomicInteger
public final int getAndSet(int newValue) {
    return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
//Unsafe
public final int getAndSetInt(Object o, long offset, int newValue) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);//先获取原来的value
        
  //如果v与此刻执行compareAndSwapInt方法时的value不等，则表明
  //value被其他线程修改了，此处compareAndSwapInt会失败，将继续自旋重试
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, newValue));
    return v;
}
//Unsafe 
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,  int expected,  int x);//本地方法

其他方法也基本上也是基于这种CAS机制实现，如incrementAndGet()方法。

//AtomicInteger
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
//Unsafe
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}