浅谈Java中的atomic包实现原理及应用
1.同步问题的提出
假设我们使用一个双核处理器执行a和b两个线程，核1执行a线程，而核2执行b线程，这两个线程现在都要对名为obj的对象的成员变量i进行加1操作，假设i的初始值为0，理论上两个线程运行后i的值应该变成2，但实际上很有可能结果为1。
我们现在来分析原因，这里为了分析的简单，我们不考虑缓存的情况，实际上有缓存会使结果为1的可能性增大。a线程将内存中的变量i读取到核1算数运算单元中，然后进行加1操作，再将这个计算结果写回到内存中，因为上述操作不是原子操作，只要b线程在a线程将i增加1的值写回到内存之前，读取了内存中i的值（此时i值为0），那么一定就会出现i的结果为1。因为a和b线程读取的i的值都为0，两个线程对它加1后的值都为1，两个线程先后将1写入到变量i中,也就是说i被两次写入的值都为1。
最通常的解决方法是两个线程中对i加1的代码用synchronize关键字对obj对象加锁。今天我们介绍一种新的解决方案，即使用atomic包中的相关类来解决。
2.atomic在硬件上的支持
在单处理器系统(uniprocessor)中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作"，因为中断只能发生于指令之间（因为线程的调度需要通过中断完成）。这也是某些cpu指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。在对称多处理器(symmetricmulti-processor)结构中就不同了，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。
在x86平台上，cpu提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。cpu芯片上有一条引线#hlockpin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"lock"，经过汇编以后的机器代码就使cpu在执行这条指令的时候把#hlockpin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的cpu就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。当然，并不是所有的指令前面都可以加lock前缀的，只有add,adc,and,btc,btr,bts,cmpxchg,dec,inc,neg,not,or,sbb,sub,xor,xadd,和xchg指令前面可以加"lock"指令，实现原子操作。
atomic的核心操作就是cas（compareandset,利用cmpxchg指令实现，它是一个原子指令）,该指令有三个操作数，变量的内存值v（value的缩写），变量的当前预期值e（exception的缩写），变量想要更新的值u（update的缩写），当内存值和当前预期值相同时，将变量的更新值覆盖内存值，执行伪代码如下。
if(v == e){
v = u
return true
}else{
return false
}
现在我们就用cas操作来解决上述问题。b线程将内存中的变量i读取一个临时变量中（假设此时读取的值为0），然后再将i的值读取到core1的算数运算单元中，接下来进行加1操作，比较临时变量中的值和i当前的值是否相同，如果相同用运算单元中的结果（即i+1）的值覆盖内存中i的值（注意这一部分就是cas操作，它是个原子操作，不能被中断且其它线程中的cas操作不能同时执行），否则指令执行失败。如果指令失败，说明a线程已经将i的值加1。由此可知如果两个线程一开始读取的i的值为都为0，那么必然只有一个线程的cas操作能够成功，因为cas操作不能并发执行。对于cas操作执行失败的线程，只要循环执行cas操作，那么一定能够成功。可以看到并没有线程阻塞，这和synchronize的原理有着本质的不同。
3.atomic包简介及源码分析
atomic包中的类基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时对单个（包括基本类型及引用类型）变量进行操作时，具有排他性，即当多个线程同时对该变量的值进行更新时，仅有一个线程能成功，而未成功的线程可以向自旋锁一样，继续尝试，一直等到执行成功。
atomic系列的类中的核心方法都会调用unsafe类中的几个本地方法。我们需要先知道一个东西就是unsafe类，全名为：sun.misc.unsafe，这个类包含了大量的对c代码的操作，包括很多直接内存分配以及原子操作的调用，而它之所以标记为非安全的，是告诉你这个里面大量的方法调用都会存在安全隐患，需要小心使用，否则会导致严重的后果，例如在通过unsafe分配内存的时候，如果自己指定某些区域可能会导致一些类似c++一样的指针越界到其他进程的问题。
atomic包中的类按照操作的数据类型可以分成4组
atomicboolean，atomicinteger，atomiclong
线程安全的基本类型的原子性操作
atomicintegerarray，atomiclongarray，atomicreferencearray
线程安全的数组类型的原子性操作，它操作的不是整个数组，而是数组中的单个元素
atomiclongfieldupdater，atomicintegerfieldupdater，atomicreferencefieldupdater
基于反射原理对象中的基本类型（长整型、整型和引用类型）进行线程安全的操作
atomicreference，atomicmarkablereference，atomicstampedreference
线程安全的引用类型及防止aba问题的引用类型的原子操作
我们一般常用的atomicinteger、atomicreference和atomicstampedreference。现在我们来分析一下atomic包中atomicinteger的源代码，其它类的源代码在原理上都比较类似。
1.有参构造函数
public atomicinteger(int initialvalue) {
value = initialvalue;
}
从构造函数函数可以看出，数值存放在成员变量value中
private volatile int value;
成员变量value声明为volatile类型，说明了多线程下的可见性，即任何一个线程的修改，在其它线程中都会被立刻看到
2.compareandset方法（value的值通过内部this和valueoffset传递）
public final boolean compareandset(int expect, int update) {
return unsafe.compareandswapint(this, valueoffset, expect, update);
}
这个方法就是最核心的cas操作
3.getandset方法,在该方法中调用了compareandset方法
public final int getandset(int newvalue) {
for (;;) {
int current = get();
if (compareandset(current, newvalue))
return current;
}
}
如果在执行if(compareandset(current,newvalue)之前其它线程更改了value的值，那么导致value的值必定和current的值不同，compareandset执行失败，只能重新获取value的值，然后继续比较，直到成功。
4.i++的实现
public final int getandincrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareandset(current, next))
return current;
}
}
5. ++i的实现
public final int incrementandget() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareandset(current, next))
return next;
}
}
4.使用atomicinteger例子
下面的程序，利用atomicinteger模拟卖票程序，运行结果中不会出现两个程序卖了同一张票，也不会卖到票为负数
package javaleanning;
import java.util.concurrent.atomic.atomicinteger;
public class selltickets {
atomicinteger tickets = new atomicinteger(100);
class seller implements runnable{
@override
public void run() {
while(tickets.get() > 0){
int tmp = tickets.get();
if(tickets.compareandset(tmp, tmp-1)){
system.out.println(thread.currentthread().getname()+" "+tmp);
}
}
}
}
public static void main(string[] args) {
selltickets st = new selltickets();
new thread(st.new seller(), "sellera").start();
new thread(st.new seller(), "sellerb").start();
}
}
5.aba问题
上述的例子运行结果完全正确，这是基于两个（或多个）线程都是向同一个方向对数据进行操作，上面的例子中两个线程都是是对tickets进行递减操作。再比如，多个线程对一个共享队列都进行对象的入列操作，那么通过atomicreference类也可以得到正确的结果（aqs中维护的队列其实就是这个情况），但是多个线程即可以入列也可以出列，也就是数据的操作方向不一致，那么可能出现aba的情况。
我们现在拿一个比较好理解的例子来解释aba问题，假设有两个线程t1和t2，这两个线程对同一个栈进行出栈和入栈的操作。
我们使用atomicreference定义的tail来保存栈顶位置
atomicreference<t> tail;
假设t1线程准备出栈，对于出栈操作我们只需要将栈顶位置由sp通过cas操作更新为newsp即可，如图1所示。但是在t1线程执行tail.compareandset(sp,newsp)之前系统进行了线程调度，t2线程开始执行。t2执行了三个操作，a出栈，b出栈，然后又将a入栈。此时系统又开始调度，t1线程继续执行出栈操作，但是在t1线程看来，栈顶元素仍然为a，（即t1仍然认为b还是栈顶a的下一个元素），而实际上的情况如图2所示。t1会认为栈没有发生变化，所以tail.compareandset(sp,newsp)执行成功，栈顶指针被指向了b节点。而实际上b已经不存在于堆栈中，t1将a出栈后的结果如图3所示，这显然不是正确的结果。
6.aba问题的解决方法
使用atomicmarkablereference，atomicstampedreference。使用上述两个atomic类进行操作。他们在实现compareandset指令的时候除了要比较当对象的前值和预期值以外，还要比较当前（操作的）戳值和预期（操作的）戳值，当全部相同时，compareandset方法才能成功。每次更新成功，戳值都会发生变化，戳值的设置是由编程人员自己控制的。
public boolean compareandset(v expectedreference, v newreference,
int expectedstamp,int newstamp) {
pair<v> current = pair;
return expectedreference == current.reference &&
expectedstamp == current.stamp &&
((newreference == current.reference && newstamp == current.stamp) ||
caspair(current, pair.of(newreference, newstamp)));
}
这时的compareandset方法需要四个参数expectedreference,newreference,expectedstamp,newstamp，我们在使用这个方法时要保证期望的戳值和要更新戳值不能一样，通常newstamp=expectedstamp+1
还拿上述的例子
假设线程t1在弹栈之前：sp指向a，戳值为100。
线程t2执行：将a出栈后，sp指向b，戳值变为101，
b出栈后，sp指向c，戳值变为102，
a入栈后，sp指向a，戳值变为103，
线程t1继续执行compareandset语句，发现sp虽然还是指向a，但是戳值的预期值100和当前值103不同，所以compareandset失败，需要从新获取newsp的值（此时newsp就会指向c），以及戳的预期值103，然后再次进行compareandset操作，这样a成功出栈，sp会指向c。
注意，由于compareandset只能一次改变一个值，无法同时改变newreference和newstamp，所以在实现的时候，在内部定义了一个类pair类将newreference和newstamp变成一个对象，进行cas操作的时候，实际上是对pair对象的操作
private static class pair<t> {
final t reference;
final int stamp;
private pair(t reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <t> pair<t> of(t reference, int stamp) {
return new pair<t>(reference, stamp);
}
}
对于atomicmarkablereference而言，戳值是一个布尔类型的变量，而atomicstampedreference中戳值是一个整型变量。
总结
以上就是本文关于浅谈java中的atomic包实现原理及应用的全部内容，希望对大家有所帮助。感兴趣的朋友可以继续参阅本站其他相关专题，如有不足之处，欢迎留言指出。