Java发包之AtomicInteger源码分析(二)

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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](https://mp.weixin.qq.com/s/0s-u-MysppIaIHVrshp9fA)】 ## 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 ```java // 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 ```java 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: ```java 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 ```java 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 { 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: ```java 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? ```java 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。 ```java 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 // 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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