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死磕-java原子类之AtomicInteger源码分析

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问题

(1)什么是原子操作?

(2)原子操作和数据库的 ACID 有啥关系?

(3)AtomicInteger 是怎么实现原子操作的?

(4)AtomicInteger 是有什么缺点?

简介

AtomicInteger 是 java 并发包下面提供的原子类,主要操作的是 int 类型的整型,通过调用底层 Unsafe 的 CAS 等方法实现原子操作。

还记得 Unsafe 吗?点击链接直达【死磕 java 魔法类之 Unsafe 解析】

原子操作

原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作,这种操作一旦开始,就一直运行到结束,中间不会有任何线程上下文切换。

原子操作可以是一个步骤,也可以是多个操作步骤,但是其顺序不可以被打乱,也不可以被切割而只执行其中的一部分,将整个操作视作一个整体是原子性的核心特征。

我们这里说的原子操作与数据库 ACID 中的原子性,笔者认为最大区别在于,数据库中的原子性主要运用在事务中,一个事务之内的所有更新操作要么都成功,要么都失败,事务是有回滚机制的,而我们这里说的原子操作是没有回滚的,这是最大的区别。

源码分析

主要属性

// 获取 Unsafe 的实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
// 标识 value 字段的偏移量
private static final long valueOffset;
// 静态代码块,通过 unsafe 获取 value 的偏移量
static {
    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) {throw new Error(ex); }
}
// 存储 int 类型值的地方,使用 volatile 修饰
private volatile int value;

(1)使用 int 类型的 value 存储值,且使用 volatile 修饰,volatile 主要是保证可见性,即一个线程修改对另一个线程立即可见,主要的实现原理是内存屏障,这里不展开来讲,有兴趣的可以自行查阅相关资料。

(2)调用 Unsafe 的 objectFieldOffset() 方法获取 value 字段在类中的偏移量,用于后面 CAS 操作时使用。

compareAndSet() 方法

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// Unsafe 中的方法
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

调用 Unsafe.compareAndSwapInt() 方法实现,这个方法有四个参数:

(1)操作的对象;

(2)对象中字段的偏移量;

(3)原来的值,即期望的值;

(4)要修改的值;

可以看到,这是一个 native 方法,底层是使用 C /C++ 写的,主要是调用 CPU 的 CAS 指令来实现,它能够保证只有当对应偏移量处的字段值是期望值时才更新,即类似下面这样的两步操作:

if(value == expect) {value = newValue;}

通过 CPU 的 CAS 指令可以保证这两步操作是一个整体,也就不会出现多线程环境中可能比较的时候 value 值是 a,而到真正赋值的时候 value 值可能已经变成 b 了的问题。

getAndIncrement() 方法

public final int getAndIncrement() {return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// Unsafe 中的方法
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        //【本篇文章由公众号“彤哥读源码”原创】var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

getAndIncrement() 方法底层是调用的 Unsafe 的 getAndAddInt() 方法,这个方法有三个参数:

(1)操作的对象;

(2)对象中字段的偏移量;

(3)要增加的值;

查看 Unsafe 的 getAndAddInt() 方法的源码,可以看到它是先获取当前的值,然后再调用 compareAndSwapInt() 尝试更新对应偏移量处的值,如果成功了就跳出循环,如果不成功就再重新尝试,直到成功为止,这可不就是(CAS+ 自旋)的乐观锁机制么 ^^

AtomicInteger 中的其它方法几乎都是类似的,最终会调用到 Unsafe 的 compareAndSwapInt() 来保证对 value 值更新的原子性。

总结

(1)AtomicInteger 中维护了一个使用 volatile 修饰的变量 value,保证可见性;

(2)AtomicInteger 中的主要方法最终几乎都会调用到 Unsafe 的 compareAndSwapInt() 方法保证对变量修改的原子性。

彩蛋

(1)为什么需要 AtomicInteger?

让我们来看一个例子:

public class AtomicIntegerTest {
    private static int count = 0;

    public static void increment() {count++;}

    public static void main(String[] args) {IntStream.range(0, 100)
                .forEach(i->
                        new Thread(()->IntStream.range(0, 1000)
                                .forEach(j->increment())).start());

        // 这里使用 2 或者 1 看自己的机器
        // 我这里是用 run 跑大于 2 才会退出循环
        // 但是用 debug 跑大于 1 就会退出循环了
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            // 让出 CPU
            Thread.yield();}

        System.out.println(count);
    }
}

这里起了 100 个线程,每个线程对 count 自增 1000 次,你会发现每次运行的结果都不一样,但它们有个共同点就是都不到 100000 次,所以直接使用 int 是有问题的。

那么,使用 volatile 能解决这个问题吗?

private static volatile int count = 0;

public static void increment() {count++;}

答案是很遗憾的,volatile 无法解决这个问题,因为 volatile 仅有两个作用:

(1)保证可见性,即一个线程对变量的修改另一个线程立即可见;

(2)禁止指令重排序;

这里有个很重要的问题,count++ 实际上是两步操作,第一步是获取 count 的值,第二步是对它的值加 1。

使用 volatile 是无法保证这两步不被其它线程调度打断的,所以无法保证原子性。

这就引出了我们今天讲的 AtomicInteger,它的自增调用的是 Unsafe 的 CAS 并使用自旋保证一定会成功,它可以保证两步操作的原子性。

public class AtomicIntegerTest {private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void increment() {count.incrementAndGet();
    }

    public static void main(String[] args) {IntStream.range(0, 100)
                .forEach(i->
                        new Thread(()->IntStream.range(0, 1000)
                                .forEach(j->increment())).start());

        // 这里使用 2 或者 1 看自己的机器
        //【本篇文章由公众号“彤哥读源码”原创】// 我这里是用 run 跑大于 2 才会退出循环
        // 但是用 debug 跑大于 1 就会退出循环了
        while (Thread.activeCount() > 1) {
            // 让出 CPU
            Thread.yield();}

        System.out.println(count);
    }
}

这里总是会打印出 100000。

(2)说了那么多,你知道 AtomicInteger 有什么缺点吗?

当然就是著名的 ABA 问题啦,我们下章接着聊 ^^


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