java并发：AtomicInteger 以及CAS无锁算法【转载】

Z时代
2024-01-10
分类：综合

java

1 AtomicInteger解析

众所周知，在多线程并发的情况下，对于成员变量，可能是线程不安全的；

一个很简单的例子，假设我存在两个线程，让一个整数自增1000次，那么最终的值应该是1000；但是多线程情况下并不能保证原子性；最终的结果极有可能不是1000；看如下的代码：

package automic;
public class AtomicIntegerTest extends Thread{
    private Integer count=0;
    @Override
    public void run() {
        for(int i=1;i<=500;i++){
            count++;
        }
         System.out.println("count的值是："+ count);
    }
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerTest a=new AtomicIntegerTest();
            Thread t1 = new Thread(a);
            Thread t2 = new Thread(a);
            t1.start();
            t2.start();
    }
}

最终的结果无论如何都是小于1000的，因为两个线程可能同时去修改了变量的值导致的；

使用AtomicInteger保证线程安全。AtomicInteger类,是一个对于变量可以进行原子性操作的类；核心是CAS无锁算法。

CAS算法是基于乐观锁的实现方法，在不需要锁的情况下，并且在并发量不高的情况下完成的原子性的操作。主要原理是当一个线程去修改这个值的时候，会进入一个while循环，并且不断的尝试comparreAndSet()方法，也就是不断地比较内存值和期望值，如果相等就修改，不相等就返回false，当值修改完毕结束死循环；

对于上述的代码，我们可以将Integer修改为AutomicInteger,且看如下的代码：


import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public 
class AtomicIntegerTest2 extends Thread{
    /**
     * 这里使用了AtomicInteger类，这是一个对于变量可以进行原子性操作的类；核心是CAS无锁算法;
     * 下面两个构造器其中一个进行了值得初始化
     * public AtomicInteger(int initialValue) {
     *   value = initialValue;
     * }
     * public AtomicInteger() {
     * }
     */
    private AtomicInteger count=new AtomicInteger(0);
    @Override
    public void run() {
        for(int i=1;i<=500;i++){
            /**
             * getAndIncrement是以原子的方式给当前值加1
             */
            count.getAndIncrement();
        }
         System.out.println("count的值是："+ count);
    }
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerTest2 a=new AtomicIntegerTest2();
            Thread t1 = new Thread(a);
            Thread t2 = new Thread(a);
            t1.start();
            t2.start();
    }
}

最终的结果是1000；

采用AtomicInteger可以保证数据的原子性操作，多线程并发的情况下是安全的；

对于线程的安全来说，是一个老生常谈的问题：做到线程安全，我们最直接的方法一般有两种：

1> 同步锁或者同步代码块

2> 互斥锁或者重入锁

其实上述的两种都是利用锁的方式来解决线程并发问题，而且都是悲观锁的方式；

synchrnoized在jdk1.6之后做了优化，在性能上和Lock锁处于相同的数量级的位置上；

synchnoized本身就具备了原子性操作；即锁的方式本身就保证了数据操作的原子性；

而CAS算法没有利用锁的技术；他如何实现的呢？

且看如下的源代码：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
}

① Unsafe是CAS的核心类，一切底层的具体实现由他来完成；

② valueOffset 变量在内存中地址的起始偏移量；

如下的静态代码块是完成变量的初始化；当JVM加载该类的时候就为这个变量在内存中开辟内存地址；它通过反射的手法获取字段value的值，而value的值使用了volatile去修饰，保证了内存的可见性（这点至关重要）；但是volatile本身不可以保证操作的原子性；

 static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

private volatile int value;

再来看一看这个方法getAndIncrement（）；表示给特定的变量添加1；这个方法的源码如下：为了明晰原理，我这里使用的是jdk1.7

 public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }

在看看jdk1.8的源码：

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

使用了unsafe的方法，其实二者底层的实现方式都差不多：

进入一个for循环，不断的比较内存值和期望值，如果相等就修改，不相等就返回false;

    /**
     * set()方法 ,设置一个值
     */
    public final void set(int newValue) {
        value = newValue;
    }
    /**
     * lazySet()方法，没有storeload屏障的set,出现于JDK1.6
     */
    public final void lazySet(int newValue) {
        unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
    }
    /**
     * getAndSet()方法 原子性的获取并且设置值
     */
    public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }
    /**
     * 如果当前值和内存值相等，那么进行更新
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
    /**
     * weak的CAS，也就是没有volatile语义的CAS，没有加入内存屏障
     */
    public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
    /**
     * 自增加，返回原来的值.
     */
    public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
    /**
     * 自减少，返回原来的值
     */
    public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }
    /**
     * 原子性的增加delta的值
     */
    public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
    /**
     * 自增1
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
    /**
     * 自减1
     */
    public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }
    /**
     * 阻塞式更新，并且对prev进行一个IntUnaryOperator操作运算
     */
    public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.applyAsInt(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return next;
    }
    /**
     * 阻塞式更新，并对prev和x，进行二元运算操作。于jdk1.8出现
     */
    public final int getAndAccumulate(int x,
                                      IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
        int prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }