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問題
(1)什么是原子操作?
(2)原子操作和數據庫的ACID有啥關系?
(3)AtomicInteger是怎么實現原子操作的?
(4)AtomicInteger是有什么缺點?
簡介
AtomicInteger是java并發包下面提供的原子類,主要操作的是int類型的整型,通過調用底層Unsafe的CAS等方法實現原子操作。
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原子操作
原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作,這種操作一旦開始,就一直運行到結束,中間不會有任何線程上下文切換。
原子操作可以是一個步驟,也可以是多個操作步驟,但是其順序不可以被打亂,也不可以被切割而只執行其中的一部分,將整個操作視作一個整體是原子性的核心特征。
我們這里說的原子操作與數據庫ACID中的原子性,筆者認為最大區別在于,數據庫中的原子性主要運用在事務中,一個事務之內的所有更新操作要么都成功,要么都失敗,事務是有回滾機制的,而我們這里說的原子操作是沒有回滾的,這是最大的區別。
源碼分析
主要屬性
// 獲取Unsafe的實例 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); // 標識value字段的偏移量 private static final long valueOffset; // 靜態代碼塊,通過unsafe獲取value的偏移量 static { try { valueOffset = unsafe.objectFieldOffset (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } } // 存儲int類型值的地方,使用volatile修飾 private volatile int value;
(1)使用int類型的value存儲值,且使用volatile修飾,volatile主要是保證可見性,即一個線程修改對另一個線程立即可見,主要的實現原理是內存屏障,這里不展開來講,有興趣的可以自行查閱相關資料。
(2)調用Unsafe的objectFieldOffset()方法獲取value字段在類中的偏移量,用于后面CAS操作時使用。
compareAndSet()方法
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } // Unsafe中的方法 public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
調用Unsafe.compareAndSwapInt()方法實現,這個方法有四個參數:
(1)操作的對象;
(2)對象中字段的偏移量;
(3)原來的值,即期望的值;
(4)要修改的值;
可以看到,這是一個native方法,底層是使用C/C++寫的,主要是調用CPU的CAS指令來實現,它能夠保證只有當對應偏移量處的字段值是期望值時才更新,即類似下面這樣的兩步操作:
if(value == expect) { value = newValue; }
通過CPU的CAS指令可以保證這兩步操作是一個整體,也就不會出現多線程環境中可能比較的時候value值是a,而到真正賦值的時候value值可能已經變成b了的問題。
getAndIncrement()方法
public final int getAndIncrement() { return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); } // Unsafe中的方法 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; }
getAndIncrement()方法底層是調用的Unsafe的getAndAddInt()方法,這個方法有三個參數:
(1)操作的對象;
(2)對象中字段的偏移量;
(3)要增加的值;
查看Unsafe的getAndAddInt()方法的源碼,可以看到它是先獲取當前的值,然后再調用compareAndSwapInt()嘗試更新對應偏移量處的值,如果成功了就跳出循環,如果不成功就再重新嘗試,直到成功為止,這可不就是(CAS+自旋)的樂觀鎖機制么^^
AtomicInteger中的其它方法幾乎都是類似的,最終會調用到Unsafe的compareAndSwapInt()來保證對value值更新的原子性。
總結
(1)AtomicInteger中維護了一個使用volatile修飾的變量value,保證可見性;
(2)AtomicInteger中的主要方法最終幾乎都會調用到Unsafe的compareAndSwapInt()方法保證對變量修改的原子性。
彩蛋
(1)為什么需要AtomicInteger?
讓我們來看一個例子:
public class AtomicIntegerTest { private static int count = 0; public static void increment() { count++; } public static void main(String[] args) { IntStream.range(0, 100) .forEach(i-> new Thread(()->IntStream.range(0, 1000) .forEach(j->increment())).start()); // 這里使用2或者1看自己的機器 // 我這里是用run跑大于2才會退出循環 // 但是用debug跑大于1就會退出循環了 while (Thread.activeCount() > 1) { // 讓出CPU Thread.yield(); } System.out.println(count); } }
這里起了100個線程,每個線程對count自增1000次,你會發現每次運行的結果都不一樣,但它們有個共同點就是都不到100000次,所以直接使用int是有問題的。
那么,使用volatile能解決這個問題嗎?
private static volatile int count = 0; public static void increment() { count++; }
答案是很遺憾的,volatile無法解決這個問題,因為volatile僅有兩個作用:
(1)保證可見性,即一個線程對變量的修改另一個線程立即可見;
(2)禁止指令重排序;
這里有個很重要的問題,count++實際上是兩步操作,第一步是獲取count的值,第二步是對它的值加1。
使用volatile是無法保證這兩步不被其它線程調度打斷的,所以無法保證原子性。
這就引出了我們今天講的AtomicInteger,它的自增調用的是Unsafe的CAS并使用自旋保證一定會成功,它可以保證兩步操作的原子性。
public class AtomicIntegerTest { private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); public static void increment() { count.incrementAndGet(); } public static void main(String[] args) { IntStream.range(0, 100) .forEach(i-> new Thread(()->IntStream.range(0, 1000) .forEach(j->increment())).start()); // 這里使用2或者1看自己的機器 // 我這里是用run跑大于2才會退出循環 // 但是用debug跑大于1就會退出循環了 while (Thread.activeCount() > 1) { // 讓出CPU Thread.yield(); } System.out.println(count); } }
這里總是會打印出100000。
以上就是本文的全部內容,希望對大家的學習有所幫助,也希望大家多多支持億速云。
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