「死磕Java并发编程」说说Java Atomic 原子类的实现原理

Posted 2022-08-16 爱笑的架构师

《死磕 Java 并发编程》系列连载中，大家可以关注一波。

「死磕 Java 并发编程」阿里二面，面试官：说说 Java CAS 原理？

「死磕 Java 并发编程」面试官：说说什么是 Java 内存模型（JMM）？

「死磕 Java 并发编程」10张图告诉你Java并发多线程那些破事

 

目录

线程安全真的是线程的安全吗？

什么是 Atomic？

实现一个计数器

AtomicInteger 源码分析

AtomicLong 和 LongAdder 谁更牛？

总结

---

当我们谈论『线程安全』的时候，肯定都会想到 Atomic 类。不错，Atomic 相关类都是线程安全的，在讲 Atomic 类之前我想再聊聊『线程安全』这个概念。

线程安全真的是线程的安全吗？

初看『线程安全』这几个字，很容易望文生义，这不就是线程的安全吗？其实不是，线程本身没有好坏，没有『安全的线程』和『不安全的线程』之分，俗话说：人之初性本善，线程天生也是纯洁善良的，真正让线程变坏是因为访问的变量的原因，变量对于操作系统来说其实就是内存块，所以绕了这么一大圈，线程安全称为『内存的安全』可能更为贴切。

简而言之，线程访问的内存决定了这个线程是否是安全的。

变量大致可以分为局部变量和共享变量，局部变量对于 JVM 来说是栈空间，大家都背过八股文，栈是线程私有的是非共享的，那自然也是内存安全的；共享变量对于 JVM 来说一般是存在于堆上，堆上的东西是所有线程共享的，如果不加任何限制自然是不安全的。

因为线程安全这个概念已经深入人心了，所以后面我们还是用线程安全来表达内存安全的含义。

那如何解决这种不安全呢？方法有很多，比如：加锁、Atomic 原子类等。

好了，咱们今天先来看看Atomic类。

什么是 Atomic？

Java从JDK1.5开始提供java.util.concurrent.atomic包，这里包含了多个原子操作类。原子操作类提供了一个简单、高效、安全的方式去更新一个变量。

Atomic 包下的原子操作类有很多，可以大致分为四种类型：

• 原子操作基本类型

• 原子操作数组类型

• 原子操作引用类型

• 原子操作更新属性

Atomic原子操作类在源码中都使用了Unsafe类，Unsafe类提供了硬件级别的原子操作，可以安全地直接操作内存变量。后面讲解源码时再详细介绍。

实现一个计数器

假如在业务代码中需要实现一个计数器的功能，啪地一下，很快我们就写出了以下的代码：

/**
 * Author: 公众号 爱笑的架构师
 */
public class Counter 
    private int count;

    public void increase() 
        count++;
    

increase方法对 count 变量进行递增。

当代码提交上库进行code review时，啪地一下，很快收到了检视意见（严重级别）：

如果在多线程场景下，你的计数器可能有问题。

上大一的时候老师就讲过 count++ 是非原子性的，它实际上包含了三个操作：读数据，加一，写回数据。

再次修改代码，多线访问increase方法会有问题，那就给它加个锁吧，count变量修改了其他线程可能不能即时看到，那就给变量加个 volatile 吧。

吭哧吭哧，代码如下：

/**
 * Author: 公众号 爱笑的架构师
 */
public class LockCounter 
    private volatile int count;

    public synchronized void increase() 
        count++;
    

一顿操作猛如虎，再次提交代码后，依然收到了检视意见（建议级别）：

加锁会影响效率，可以考虑使用原子操作类。

原子操作类？「黑人问号脸」，莫不是大佬知道我晚上有约会故意整我，不想合入代码吧。带着将信将疑的态度，打开百度谷歌，原来 AtomicInteger 可以轻松解决这个问题，手忙脚乱一顿复制粘贴代码搞定了，终于可以下班了。

/**
 * Author: 公众号 爱笑的架构师
 */
public class AtomicCounter 
    private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public void increase() 
        count.incrementAndGet();
    

AtomicInteger 源码分析

调用AtomicInteger类的incrementAndGet方法不用加锁可以实现安全的递增，这个好神奇，下面带领大家分析一下源码是这么实现的，等不及了等不及了。

打开源码，可以看到定义的incrementAndGet方法：

/**
* 在当前值的基础上自动加 1
*
* @return 更新后的值
*/
public final int incrementAndGet() 
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;

通过源码可以看到实际上是调用了 unsafe 的一个方法，unsafe 是什么待会再说。

我们再看看getAndAddInt方法的参数：第一个参数 this 是当前对象的引用；第二个参数valueOffset是用来记录value值在内存中的偏移地址，第三个参数是一个常量 1；

在 AtomicInteger 中定义了一个常量valueOffset和一个可变的成员变量 value：

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;

value 变量保存当前对象的值，valueOffset 是变量的内存偏移地址，也是通过调用unsafe的方法获取。

public final class Unsafe 
    // ……省略其他方法

    public native long objectFieldOffset(Field f);

这里再说说 Unsafe 这个类，人如其名：不安全的类。打开 Unsafe 类会看到大部分方法都标识了 native，也就是说这些都是本地方法，本地方法强依赖于操作系统平台，一般都是采用C/C++语言编写，在调用 Unsafe 类的本地方法实际会执行这些方法，熟悉 C/C++的小伙伴可自行下载源码研究。

好了，我们再回到最开始，调用了 Unsafe 类的getAndAddInt方法：

public final class Unsafe 
    // ……省略其他方法

    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) 
        int v;
        do 
            v = getIntVolatile(o, offset); 
            // 循环 CAS 操作
         while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    

    // 根据内存偏移地址获取当前值
    public native int getIntVolatile(Object o, long offset);

    // CAS 操作
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);

通过getIntVolatile方法获取当前 AtomicInteger 对象的value值，这是一个本地方法。

然后调用compareAndSwapInt进行 CAS 原子操作，尝试在当前值的基础上加 1，如果 CAS 失败会循环进行重试。

因此compareAndSwapInt方法是最核心的，详细实现大家可以自行找源码看。这里我们看看方法的参数，一共有四个参数：o 是指当前对象；offset 是指当前对象值的内存偏移地址；expected是期望值；x是修改后的值；

compareAndSwapInt方法的思路是拿到对象 o 和 offset 后会再去取对象实际的值，如果当前值与之前取的期望值是一致的就认为 value 没有被修改过，直接将 value 的值更新为 x，这样就完成了一次 CAS 操作，CAS 操作是通过操作系统保证原子性的。

如果当前值与期望值不一致，说明 value 值被修改过，那么就会重试 CAS 操作直到成功。

AtomicInteger类中还有很多其他的方法，如：

decrementAndGet()
getAndDecrement()
getAndIncrement()
accumulateAndGet()
// …… 省略

这些方法实现原理都是大同小异，希望大家可以举一反三理解其他的方法。

另外还有一些其他的类，如：AtomicLong，AtomicReference，AtomicIntegerArray等，这里也不再赘述，原理都是大同小异。

AtomicLong 和 LongAdder 谁更牛？

Java 在 jdk1.8版本 引入了 LongAdder 类，与 AtomicLong 一样可以实现加、减、递增、递减等线程安全操作，但是在高并发竞争非常激烈的场景下 LongAdder 的效率更胜一筹，后续单独用一篇文章进行介绍。

总结

讲了半天，可能有的小伙伴还是比较懵，Atomic 类到底是如何实现线程安全的？

在语言层面上，Atomic 类是没有做任何同步操作的，翻看源代码方法没有任何加锁，其实最大功劳还是在 CAS 身上。CAS 利用操作系统的硬件特性实现了原子性，利用 CPU 多核能力实现了硬件层面的阻塞。

只有 CAS 的原子性保证就一定是线程安全的吗？当然不是的，通过源码发现 value 变量还用了 volatile 修饰了，保证了线程可见性。

那有些小伙伴可能要问了，那是不是加锁就没有用了，非也，虽然基于 CAS 的线程安全机制很好很高效，但是这适合一些粒度比较小的需求才有效，如果遇到非常复杂的业务逻辑还是需要加锁操作的。

大家学会了吗？

Java 并发编程的知识非常多，同时也是 Java 面试的高频考点，面试官必问的，需要学习 Java 并发编程其他知识的小伙伴可以去下载『阿里师兄总结的Java知识笔记 总共 283 页，超级详细』。

 

作者：雷小帅

推荐一个Github 开源项目，『Java八股文』Java面试套路，Java进阶学习，打破内卷拿大厂Offer，升职加薪！

作者简介： ☕读过几年书：华中科技大学硕士毕业；
😂浪过几个大厂：华为、网易、百度……
😘一直坚信技术能改变世界，愿保持初心，加油技术人！

微信搜索公众号【爱笑的架构师】，关注这个对技术有追求且有趣的打工人。