Java AtomicInteger原理分析

Java中的AtomicInteger大家应该很熟悉,它是为了解决多线程访问Integer变量导致结果不正确所设计的一个基于多线程并且支持原子操作的Integer类。

它的使用也非常简单:

AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
ai.addAndGet(5); // 5
ai.getAndAdd(1); // 5
ai.get(); // 6

AtomicInteger内部有一个变量UnSafe:

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

Unsafe类是一个可以执行不安全、容易犯错的操作的一个特殊类。虽然Unsafe类中所有方法都是public的,但是这个类只能在一些被信任的代码中使用。Unsafe的源码可以在这里看 -> UnSafe源码

Unsafe类可以执行以下几种操作:

  1. 分配内存,释放内存:在方法allocateMemory,reallocateMemory,freeMemory中,有点类似c中的malloc,free方法
  2. 可以定位对象的属性在内存中的位置,可以修改对象的属性值。使用objectFieldOffset方法
  3. 挂起和恢复线程,被封装在LockSupport类中供使用
  4. CAS操作(CompareAndSwap,比较并交换,是一个原子操作)

AtomicInteger中用的就是Unsafe的CAS操作。

Unsafe中的int类型的CAS操作方法:

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

参数o就是要进行cas操作的对象,offset参数是内存位置,expected参数就是期望的值,x参数是需要更新到的值。

也就是说,如果我把1这个数字属性更新到2的话,需要这样调用:

compareAndSwapInt(this, valueOffset, 1, 2)

valueOffset字段表示内存位置,可以在AtomicInteger对象中使用unsafe得到:

static {
  try {
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
        (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

AtomicInteger内部使用变量value表示当前的整型值,这个整型变量还是volatile的,表示内存可见性,一个线程修改value之后保证对其他线程的可见性:

private volatile int value;

AtomicInteger内部还封装了一下CAS,定义了一个compareAndSet方法,只需要2个参数:

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

addAndGet方法,addAndGet方法内部使用一个死循环,先得到当前的值value,然后再把当前的值加一,加完之后使用cas原子操作让当前值加一处理正确。当然cas原子操作不一定是成功的,所以做了一个死循环,当cas操作成功的时候返回数据。这里由于使用了cas原子操作,所以不会出现多线程处理错误的问题。比如线程A得到current为1,线程B也得到current为1;线程A的next值为2,进行cas操作并且成功的时候,将value修改成了2;这个时候线程B也得到next值为2,当进行cas操作的时候由于expected值已经是2,而不是1了;所以cas操作会失败,下一次循环的时候得到的current就变成了2;也就不会出现多线程处理问题了:

public final int addAndGet(int delta) {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + delta;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

incrementAndGet方法,跟addAndGet方法类似,只不过next值变成了current+1:

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

getAndAdd方法,跟addAndGet方法一样,返回值变成了current:

public final int getAndAdd(int delta) {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + delta;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

缺点:

虽然AtomicInteger中的cas操作可以实现非阻塞的原子操作,但是会产生ABA问题,

参考资料:

http://blog.csdn.net/ghsau/article/details/38471987

http://blog.csdn.net/aesop_wubo/article/details/7537278

http://ifeve.com/sun-misc-unsafe/

http://ifeve.com/java-atomic/

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本文作者:Format
原文链接: http://fangjian0423.github.io/2016/03/16/java-AtomicInteger-analysis/
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