四十、原子类（一）如何保证线程安全？

subject：原子类是如何利用 CAS 保证线程安全的？

1、什么是原子类？原子类有什么作用？

在编程领域里，原子性意味着“一组操作要么全都操作成功，要么全都失败，不能只操作成功其中的一部分”。而 java.util.concurrent.atomic 下的类，就是具有原子性的类，可以原子性地执行添加、递增、递减等操作。比如之前多线程下的线程不安全的 i++ 问题，到了原子类这里，就可以用功能相同且线程安全的 getAndIncrement 方法来优雅地解决。

原子类的作用和锁有类似之处，是为了保证并发情况下线程安全。不过原子类相比于锁，有一定的优势：

• 粒度更细：原子变量可以把竞争范围缩小到变量级别，通常情况下，锁的粒度都要大于原子变量的粒度。
• 效率更高：除了高度竞争的情况之外，使用原子类的效率通常会比使用同步互斥锁的效率更高，因为原子类底层利用了 CAS 操作，不会阻塞线程。

2、六类原子类纵览

原子类一共可以分为以下这 6 类：

2.1 Atomic\ 基本类型原子类

首先看到第一类 Atomic*，把它称为基本类型原子类，它包括三种，分别是 AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicBoolean。

介绍一下最为典型的 AtomicInteger。对于这个类型而言，它是对于 int 类型的封装，并且提供了原子性的访问和更新。也就是说，如果需要一个整型的变量，并且这个变量会被运用在并发场景之下，可以不用基本类型 int，也不使用包装类型 Integer，而是直接使用 AtomicInteger，这样一来就自动具备了原子能力，使用起来非常方便。

AtomicInteger 类常用方法

• public final int get() //获取当前的值
  因为它本身是一个 Java 类，而不再是一个基本类型，所以要想获取值还是需要一些方法，比如通过 get 方法就可以获取到当前的值。

• public final int getAndSet(int newValue) //获取当前的值，并设置新的值

接下来的几个方法和它平时的操作相关：

• public final int getAndIncrement() //获取当前的值，并自增

• public final int getAndDecrement() //获取当前的值，并自减

• public final int getAndAdd(int delta) //获取当前的值，并加上预期的值
  这个参数就是想让当前这个原子类改变多少值，可以是正数也可以是负数，如果是正数就是增加，如果是负数就是减少。而刚才的 getAndIncrement 和 getAndDecrement 修改的数值默认为 +1 或 -1，如果不能满足需求，就可以使用 getAndAdd 方法来直接一次性地加减想要的数值。

• boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值更新为输入值（update）
  这个方法也是 CAS 的一个重要体现。

2.2 Array 数组类型原子类

下面来看第二大类 Atomic* Array 数组类型原子类，数组里的元素，都可以保证其原子性，比如 AtomicIntegerArray 相当于把 AtomicInteger 聚合起来，组合成一个数组。这样一来，如果想用一个每一个元素都具备原子性的数组的话， 就可以使用 Atomic*Array。

它一共分为 3 种，分别是：

• AtomicIntegerArray：整形数组原子类；
• AtomicLongArray：长整形数组原子类；
• AtomicReferenceArray ：引用类型数组原子类。

2.3 Atomic\Reference 引用类型原子类

下面介绍第三种 AtomicReference 引用类型原子类。AtomicReference 类的作用和AtomicInteger 并没有本质区别， AtomicInteger 可以让一个整数保证原子性，而AtomicReference 可以让一个对象保证原子性。这样一来，AtomicReference 的能力明显比 AtomicInteger 强，因为一个对象里可以包含很多属性。

在这个类别之下，除了 AtomicReference 之外，还有：

• AtomicStampedReference：它是对 AtomicReference 的升级，在此基础上还加了时间戳，用于解决 CAS 的 ABA 问题。
• AtomicMarkableReference：和 AtomicReference 类似，多了一个绑定的布尔值，可以用于表示该对象已删除等场景。

2.4 Atomic\FieldUpdater 原子更新器

第四类将要介绍的是 Atomic\FieldUpdater，把它称为原子更新器，一共有三种：

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整形的更新器；
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整形的更新器；
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用的更新器。

如果之前已经有了一个变量，比如是整型的 int，实际它并不具备原子性。可是这个变量已经被定义好了，此时可以利用 Atomic*FieldUpdater 让它拥有原子性，如果它是整型的，就使用 AtomicIntegerFieldUpdater 把已经声明的变量进行升级，这样一来这个变量就拥有了 CAS 操作的能力。

这里的非互斥同步手段，是把已经声明好的变量进行 CAS 操作以达到同步的目的。那么，既然想让这个变量具备原子性，为什么不在一开始就声明为 AtomicInteger？这样也免去了升级的过程，难道是一开始设计的时候不合理吗？这里有以下几种情况：

第一种情况是出于历史原因考虑，那么如果出于历史原因的话，之前这个变量已经被声明过了而且被广泛运用，那么修改它成本很高，所以可以利用升级的原子类。

另外还有一个使用场景，如果在大部分情况下并不需要使用到它的原子性，只在少数情况，比如每天只有定时一两次需要原子操作的话，其实没有必要把原来的变量声明为原子类型的变量，因为 AtomicInteger 比普通的变量更加耗费资源。所以如果有成千上万个原子类的实例的话，它占用的内存也会远比成千上万个普通类型占用的内存高。所以在这种情况下，可以利用 AtomicIntegerFieldUpdater 进行合理升级，节约内存。

2.5 Adder 加法器

它里面有两种加法器，分别叫作 LongAdder 和 DoubleAdder。

2.6 Accumulator 积累器

最后一种叫 Accumulator 积累器，分别是 LongAccumulator 和 DoubleAccumulator。

3、以 AtomicInteger 为例，分析在 Java 中如何利用 CAS 实现原子操作？

在充分了解了原子类的作用和种类之后，来看下 AtomicInteger 是如何通过 CAS 操作实现并发下的累加操作的，以其中一个重要方法 getAndAdd 方法为突破口。

getAndAdd方法

这个方法的代码在 Java 1.8 中的实现如下：

//JDK 1.8实现
public final int getAndAdd(int delta) {
   return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

可以看出，里面使用了 Unsafe 这个类，并且调用了 unsafe.getAndAddInt 方法。所以这里需要简要介绍一下 Unsafe 类。

Unsafe 其实是 CAS 的核心类。由于 Java 无法直接访问底层操作系统，而是需要通过 native 方法来实现。不过尽管如此，JVM 还是留了一个后门，在 JDK 中有一个 Unsafe 类，它提供了硬件级别的原子操作，可以利用它直接操作内存数据。

那么就来看一下 AtomicInteger 的一些重要代码，如下所示：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
   // 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;
   public final int get() {return value;}
   ...
}

可以看出，在数据定义的部分，首先获取了 Unsafe 实例，并且定义了 valueOffset。往下看到 static 代码块，这个代码块会在类加载的时候执行，执行时会调用 Unsafe 的 objectFieldOffset 方法，从而得到当前这个原子类的 value 的偏移量，并且赋给 valueOffset 变量，这样一来就获取到了 value 的偏移量，它的含义是在内存中的偏移地址，因为 Unsafe 就是根据内存偏移地址获取数据的原值的，这样就能通过 Unsafe 来实现 CAS 了。

value 是用 volatile 修饰的，它就是原子类存储的值的变量，由于它被 volatile 修饰，就可以保证在多线程之间看到的 value 是同一份，保证了可见性。

接下来继续看 Unsafe 的 getAndAddInt 方法的实现，代码如下：

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

首先看一下结构，它是一个 do-while 循环，所以这是一个死循环，直到满足循环的退出条件时才可以退出。

那么来看一下 do 后面的这一行代码 var5 = this.getIntVolatile(var1, var2) 是什么意思。这是个 native 方法，作用就是获取在 var1 中的 var2 偏移处的值。

那传入的是什么呢？传入的两个参数，第一个就是当前原子类，第二个是最开始获取到的 offset，这样一来就可以获取到当前内存中偏移量的值，并且保存到 var5 里面。此时 var5 实际上代表当前时刻下的原子类的数值。

现在再来看 while 的退出条件，也就是 compareAndSwapInt 这个方法，它一共传入了 4 个参数，这 4 个参数是 var1、var2、var5、var5 + var4，为了方便理解，给它们取了新了变量名，分别 object、offset、expectedValue、newValue，具体含义如下：

• 第一个参数 object 就是将要操作的对象，传入的是 this，也就是 atomicInteger 这个对象本身；
• 第二个参数是 offset，也就是偏移量，借助它就可以获取到 value 的数值；
• 第三个参数 expectedValue，代表“期望值”，传入的是刚才获取到的 var5；
• 最后一个参数 newValue 是希望修改的数值 ，等于之前取到的数值 var5 再加上 var4，而 var4 就是之前所传入的 delta，delta 就是希望原子类所改变的数值，比如可以传入 +1，也可以传入 -1。

compareAndSwapInt 方法的作用就是，判断如果现在原子类里 value 的值和之前获取到的 var5 相等的话，那么就把计算出来的 var5 + var4 给更新上去，所以说这行代码就实现了 CAS 的过程。

一旦 CAS 操作成功，就会退出这个 while 循环，但是也有可能操作失败。如果操作失败就意味着在获取到 var5 之后，并且在 CAS 操作之前，value 的数值已经发生变化了，证明有其他线程修改过这个变量。

这样一来，就会再次执行循环体里面的代码，重新获取 var5 的值，也就是获取最新的原子变量的数值，并且再次利用 CAS 去尝试更新，直到更新成功为止，所以这是一个死循环。

总结一下，Unsafe 的 getAndAddInt 方法是通过循环 + CAS 的方式来实现的，在此过程中，它会通过 compareAndSwapInt 方法来尝试更新 value 的值，如果更新失败就重新获取，然后再次尝试更新，直到更新成功。