Java并发编程深入分析AtomicInteger

Posted 2022-06-29 程序员小毛驴

什么是线程安全性
如果一个类可以安全地被多个线程使用，它就是线程安全的。你无法对此论述提出任何争议，但也无法从中得到更多有意义的帮助。那么我们如何辨别线程安全与非线程安全的类？我们甚至又该如何理解“安全”呢？ 任何一个合理的“线程安全性”定义，其关键在于“正确性”的概念。在<>书中作者是这样定义的：一个类是是线程安全的，是指在被多个线程访问时，类可以持续进行正确的行为。
提示：书中作者还写到，如下：
当多个线程访问一个类时，如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行，并且不需要额外的同步及在调用方代码不必作其他的协调，这个类的行为仍然是正确的，那么称这个类是线程安全的。
代码演示：实现一个计数器
[java] view plain copy 在CODE上查看代码片派生到我的代码片
package com.lll.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UnsafeCount
//public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
public static int count = 0;

public static void inc()   
    try   
        Thread.sleep(1000);  
     catch (InterruptedException e)   
        e.printStackTrace();  
      
    //count.incrementAndGet();  
    count++;  
  

public static void main(String[] args) throws InterruptedException   

    ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(Integer.MAX_VALUE);  

    for (int i = 0; i < 100; i++)   
        service.execute(new Runnable()   
            @Override  
            public void run()   
                UnsafeCount.inc();  
              
        );  
      

    service.shutdown();  
    //避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束，在这里给予一个关闭时间  
    service.awaitTermination(3000,TimeUnit.SECONDS);  
    System.out.println("运行结果:UnsafeCount.count=" + UnsafeCount.count);  
  

提示:为了提高测试的准确性，注意查看第三十六行注释“避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束，在这里给予一个关闭时间”。
运行结果：
运行结果:UnsafeCount.count=92
运行结果:UnsafeCount.count=98
….
根据结果可以看出在多线程环境下，没有获得期望的正确结果100.

原因分析
大家都知道，计算机在执行程序时，每条指令都是在CPU中执行的，而执行指令过程中，势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主内存中的，这时就存在一个问题，由于CPU执行速度很快，而从主内存读取数据和向主内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多，因此如果任何时候对数据的操作都要通过和主内存的交互来进行，会大大降低指令执行的速度。因此在就有了主内存和本地内存。也就是，当程序在运行过程中，会将运算需要的数据从主存复制一份到线程的本地内存中，创建一个count变量副本，那么CPU进行计算时就可以直接从本地内存加载，使用，赋值和写入到内存中，最后再将副本值同步到主内存中。如下图：

图片摘自http://images.cnblogs.com/cnblogs_com/aigongsi/201204/201204011757235219.jpg
然而这些操作是不具备原子性的，当线程一正在将新的副本值同步到主内存之前，线程二进来了且从本地内存加载到的是线程一修改前的旧数据，所以导致结果数据和预期的不一样。

解决办法一
使用AtomicInteger
一个提供原子操作的Integer的类。在Java语言中，++i和i++操作并不是线程安全的，在使用的时候，不可避免的会用到synchronized关键字。而AtomicInteger则通过一种线程安全的加减操作接口。代码如下：
[java] view plain copy 在CODE上查看代码片派生到我的代码片
package com.lll.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UnsafeCount
public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
//public static int count = 0;

public static void inc()   
    try   
        Thread.sleep(1000);  
     catch (InterruptedException e)   
        e.printStackTrace();  
      
    count.incrementAndGet();  
    //count++;  
  

public static void main(String[] args) throws InterruptedException   

    ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(Integer.MAX_VALUE);  

    for (int i = 0; i < 100; i++)   
        service.execute(new Runnable()   
            @Override  
            public void run()   
                UnsafeCount.inc();  
              
        );  
      

    service.shutdown();  
    //避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束，在这里给予一个关闭时间  
    service.awaitTermination(3000,TimeUnit.SECONDS);  
    System.out.println("运行结果:UnsafeCount.count=" + UnsafeCount.count);  
  

测试结果
运行结果:UnsafeCount.count=100
AtomicInteger源码剖析

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// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
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);   
  

从上面的UML类图和代码可以看出AtomicInteger和Unsafe存在关联关系。它在类中获取了Unsafe的实例，然后通过Unsafe实例的objectFieldOffset方法获得value在内存中的位置。为什么它要获取value在内存中的位置？我们从incrementAndGet方法依次往下分析
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/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet()
for (;;)
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;


第一步：通过get()方法获得value的值+1，然后传给了compareAndSet方法。compareAndSet代码如下：
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public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

+——————————————————————+
“ Atomically sets the value to the given updated value if the current value @code == the expected value.@return true if successful. False return indicates that the actual value was not equal to the expected value.”
+——————————————————————+
第二步：compareAndSet()方法拿到原值和要更新的值。通过代码上的注释，我们可以知道如果valueOffset位置包含的值与expect值相同，则更新valueOffset位置的值为update，并返回true，否则不更新，返回false。