java 原子类实现原理剖析

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前言

在jdk中提供了一些java.util.concurrent.atomic原子操作类。对于原子类变量的操作是不会存在并发性问题的，不需要使用synchronized关键字进行并发控制。它底层自身的实现即可保证变量的可见性以及操作的原子性，一般我们可以使用AtomicInteger，AtomicLong等实现计数器等功能，利用AtomicBoolean实现标志位等功能。

使用示例

public class Message {

  // 实现一个id自增计数器
  private static AtomicLong count = new AtomicLong();

  //无需进行锁并发控制，防止id重复
  public Long getMsgId(){
    return count.getAndIncrement();
  }
  
}

原理剖析

一般实现线程安全的常见两种机制：

  • 加锁机制（常见synchronized和ReentrantLock等），特点：阻塞；
  • 无锁机制（常见无锁算法有：CAS算法），特点：非阻塞；

原子量底层的实现均是采用CAS非阻塞算法实现的，是无锁（lock-free）算法中最有名的一种（无锁算法：不使用锁机制来实现线程安全的算法，采用锁机制都会存在线程为请求锁而产生阻塞的情况）,CAS不会阻塞线程从而不会带来CPU上下文切换的性能开销。

CAS非阻塞算法的原理

CAS的全称是Compare-And-Swap(意思是比较后交换)：指当两者(这个两者是指线程栈内存中备份的变量值和主内存中共享变量值)进行比较时，如果值相等，则证明共享数据没有被其他线程修改过，则替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明主内存中的共享数据被其它线程修改过，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作（可见CAS算法的关键就是这个循环体结构，退出循环的条件是主内存中的共享数据没有被其他线程修改过，如果被修改过，则该线程会重复执行此操作，直到满足退出循环体的条件为止，这也是为什么线程不会阻塞的原因）。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

下面以jdk AtomicInteger类的具体实现为例，进行说明：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {

    private static final longserialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    
    private volatile int value;
    
    //value字段相对AtomicInteger对象内存地址的偏移量
    private static final longvalueOffset;

    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { thrownew Error(ex); }
    }
    
    //该AtomicInteger原子量对应的值value(共享变量)
    private volatile int value;
    
    //返回当前value
    public final int get() {
        return value;
    }
 
    //该方法的作用value++的线程安全版，返回自增长以前的值
    public final int getAndIncrement() {
        //CAS算法中循环体结构
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            //主内存变量更新成功，则退出循环体，否则重复执行此自增操作，直到更新成功为止
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;//返回自增长以前的值
        }
    }

    //拿expect和主内存中的值进行比较，如果相等，说明主内存中的值没有发生过修改
   //则将新值写入到主内存，return true。否则直接return false;
   public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
      return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
   }
   
}