并发包中automic类的原理

Posted 2021-03-24 jxxblogs

　　提到同步，我们一般首先想到的是lock，synchronized，但java中有一套更加轻量级的同步方式即atomic类。java的并发原子包里面提供了很多可以进行原子操作的类，比如：

• AtomicInteger
• AtomicBoolean
• AtomicLong
• AtomicReference

下面以AtomicInteger类为例：

package com.javaBase.LineDistance;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 〈一句话功能简述〉;
 * 〈功能详细描述〉
 *
 * @author jxx
 * @see [相关类/方法]（可选）
 * @since [产品/模块版本] （可选）
 */
public class TestAtomic {

    public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException{
        Thread t1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i=0;i<1000;i++) {
                    atomicInteger.incrementAndGet();
                }
            }
        });
        Thread t2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                for (int i=0;i<1000;i++) {
                    atomicInteger.incrementAndGet();
                }
            }
        });
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最终结果：" + atomicInteger);
    }
}

运行结果：

最终结果：2000

由结果可知，atomicInteger类是线程安全的。下面看看incrementAndGet()方法是如何实现的，源码如下：

/**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

/** 其中getIntVolatile和compareAndSwapInt都是native方法

  * getIntVolatile是获取当前的期望值

  * compareAndSwapInt就是我们平时说的CAS(compare and swap)，通过比较如果内存区的值没有改变，那么就用新值直接给该内存区赋值

  */

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;
    }

　　可以看到原子性的实现没有用synchronized，说明是非阻塞同步。最核心的方法是compareAndSwapInt，也就是所谓的CAS操作。CAS操作依赖底层硬件的CAS指令，CAS指令有两个步骤：冲突检测和更新操作，但是这两个步骤合起来成为一个原子性操作。CAS指令需要3个操作数：内存位置（V），旧的预期值（A），新值（B）。CAS指令执行时，首先比较内存位置V处的值和A的值是否相等（冲突检测），如果相等，就用新值B覆盖A（更新操作），否则，就什么也不做。所以，一般循环执行CAS操作，直到成功为止。

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); }
    }

　　Unsafe类是在sun.misc包下，不属于Java标准。但是很多Java的基础类库，包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe类在提升Java运行效率，增强Java语言底层操作能力方面起了很大的作用。 Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，同时也带来了指针的问题。过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大，因此Java官方并不建议使用的，官方文档也几乎没有。 通常我们最好也不要使用Unsafe类，除非有明确的目的，并且也要对它有深入的了解才行。

　　CAS也并非完美的，它会导致ABA问题，就是说，当前内存的值一开始是A，被另外一个线程先改为B然后再改为A，那么当前线程访问的时候发现是A，则认为它没有被其他线程访问过。在某些场景下这样是存在错误风险的。比如在链表中。那么如何解决这个ABA问题呢，大多数情况下乐观锁的实现都会通过引入一个版本号标记这个对象，每次修改版本号都会变话，比如使用时间戳作为版本号，这样就可以很好的解决ABA问题。在JDK中提供了AtomicStampedReference类来解决这个问题，思路是一样的。这个类也维护了一个int类型的标记stamp，每次更新数据的时候顺带更新一下stamp。

AtomicStampedReference使用代码：

package com.wangjun.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABA {
    
    // 普通的原子类，存在ABA问题
    AtomicInteger a1 = new AtomicInteger(10);
    // 带有时间戳的原子类，不存在ABA问题，第二个参数就是默认时间戳，这里指定为0
    AtomicStampedReference<Integer> a2 = new AtomicStampedReference<Integer>(10, 0);
    
    public static void main(String[] args) {
        ABA a = new ABA();
        a.test();
    }
    
    public void test() {
        new Thread1().start();
        new Thread2().start();
        new Thread3().start();
        new Thread4().start();
    }
    
    class Thread1 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            a1.compareAndSet(10, 11);
            a1.compareAndSet(11, 10);
        }
    }
    class Thread2 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(200);  // 睡0.2秒，给线程1时间做ABA操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("AtomicInteger原子操作：" + a1.compareAndSet(10, 11));
        }
    }
    class Thread3 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            try {
                Thread.sleep(500);  // 睡0.5秒，保证线程4先执行
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            int stamp = a2.getStamp();
            a2.compareAndSet(10, 11, stamp, stamp + 1);
            stamp = a2.getStamp();
            a2.compareAndSet(11, 10, stamp, stamp + 1);
        }
    }
    class Thread4 extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            int stamp = a2.getStamp();
            try {
                Thread.sleep(1000);  // 睡一秒，给线程3时间做ABA操作
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            System.out.println("AtomicStampedReference原子操作:" + a2.compareAndSet(10, 11, stamp, stamp + 1));
        }
    }
}

可以看到使用AtomicStampedReference进行compareAndSet的时候，除了要验证数据，还要验证时间戳。如果数据一样，但是时间戳不一样，那么这个数据其实也被修改过了。