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java并發之AtomicInteger源碼分析

發布時間:2020-09-25 07:02:17 來源:腳本之家 閱讀:119 作者:彤哥讀源碼 欄目:編程語言

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。

還記得Unsafe嗎?點擊鏈接直達【java Unsafe詳細解析】

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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