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原子操作类AtomicInteger详解

程序员文章站 2022-05-03 19:17:37
...

为什么需要AtomicInteger原子操作类?

对于全局变量的数值类型操作 num++,若没有加synchronized关键字则是线程不安全的,num++解析为num=num+1,明显,这个操作不具备原子性,多线程时必然会出现问题。测试下:

public class AtomicIntegerTest1 {
    public static int count = 0;
 
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    count++;
                }
            }.start();
        }
        System.out.println("count: " + count);
    }
 
}

输出的结果为count: 9992,这个值不定,每次测试都可能不一样,很显然,100个线程跑++操作,结果并没有像预期的那样count: 10000。

 

要是换成volatile修饰count变量呢?

volatile修饰的变量能够在线程间保持可见性,能被多个线程同时读但是又能保证只被单线程写,并且不会读取到过期值(由java内存模型中的happen-before原则决定的)volatile修饰字段的写入操作总是优先于读操作,即使多个线程同时修改volatile变量字段,总能保证获取到最新的值。试试:

public class AtomicIntegerTest3 {
    static volatile int count = 0;
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 100; j++) {
                        count++;
                    }
                }
            }.start();
        }
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("volatile count: " + count);
    }
}

结果似乎又失望了,试了大约10次后出现volatile count: 9984,果然还是出现问题了,volatile仅仅保证变量在线程间保持可见性,却依然不能保证非原子性的操作。

 

Value的定义和volatile

AtomicInteger 本身是个整型,所以最重要的属性就是value,我们看看它是如何声明value的

 private volatile int value;

我们看到value使用了volatile修饰符,那么什么是volatile呢?

volatile相当于synchronized的弱实现,也就是说volatile实现了类似synchronized的语义,却又没有锁机制。它确保对volatile字段的更新以可预见的方式告知其他的线程。

 

用了AtomicInteger类后会变成什么样子呢?

把上面的代码改造成AtomicInteger原子类型,看看效果:

public class AtomicIntegerTest2 {
 
    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 100; j++) {
                        count.getAndIncrement();
                    }
                }
            }.start();
        }
        Thread.sleep(1000);
        System.out.println("AtomicInteger count: " + count);
    }
}

结果每次都输出"AtomicInteger count: 10000",没毛病。concurrent(我这里是jdk1.7)包下提供了12种原子操作类型,如下:

原子操作类AtomicInteger详解

 

原子更新基本类型

atomic包下提供了AtomicBoolean/AtomicLong/AtomicInteger三个原子更新基本类型,以AtomicInteger为例,其他两种基本类似。以下是AtomicInteger囊括的大致方法:

public final int getAndSet(int newValue)       //给AtomicInteger设置newValue并返回加oldValue
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)    //如果输入的值和期望值相等就set并返回true/false
public final int getAndIncrement()     //对AtomicInteger原子的加1并返回当前自增前的value
public final int getAndDecrement()   //对AtomicInteger原子的减1并返回自减之前的的value
public final int getAndAdd(int delta)   //对AtomicInteger原子的加上delta值并返加之前的value
public final int incrementAndGet()   //对AtomicInteger原子的加1并返回加1后的值
public final int decrementAndGet()    //对AtomicInteger原子的减1并返回减1后的值
public final int addAndGet(int delta)   //给AtomicInteger原子的加上指定的delta值并返回加后的值

以getAndIncrement为例看下源码:

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        //先取出AtomicInteger的当前值
        int current = get();
        //对当前值加1操作
        int next = current + 1;
        //这里很关键,通过compareAndSet方法比较当前值有没有被其它线程修改过,若修改过返回false则再次进入compareAndSet方法判断
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

compareAndSet方法里面是调用了Unsafe类的compareAndSwapInt方法:

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
 
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
 
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

Unsafe是Java HotSpot提供的操作内存和线程的"后门",官方或者对于生产环境并不建议使用Unsafe类,因为它的API不稳定、不安全,错误使用将给你的HotSpot jvm带来致命性的灾难。同时对于其他基本类型,比如char、float、double等并没有对应的上述判断是否被修改方法,故可以将其转为compareAndSwapInt来简介判断,因为在AtomicBoolean的源码中就是这么做的。

 

相应的,concurrent包下除了提供的原子更新基本类型,还有原子更新数据、原子更新引用类型、原子更新字段类,最常用的也就是原子更新基本类型了。

用CAS操作实现安全的自增

AtomicInteger中有很多方法,例如incrementAndGet() 相当于i++ 和getAndAdd() 相当于i+=n 。从源码中我们可以看出这几种方法的实现很相似,所以我们主要分析incrementAndGet() 方法的源码。

源码如下:

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

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

incrementAndGet() 方法实现了自增的操作。核心实现是先获取当前值目标值(也就是value+1),如果compareAndSet(current, next) 返回成功则该方法返回目标值。那么compareAndSet是做什么的呢?理解这个方法我们需要引入CAS操作。

在大学操作系统课程中我们学过独占锁和乐观锁的概念。独占锁就是线程获取锁后其他的线程都需要挂起,直到持有独占锁的线程释放锁;乐观锁是先假定没有冲突直接进行操作,如果因为有冲突而失败就重试,直到操作成功。其中乐观锁用到的机制就是CAS,Compare and Swap。

AtomicInteger 中的CAS操作就是compareAndSet(),其作用是每次从内存中根据内存偏移量(valueOffset)取出数据,将取出的值跟expect 比较,如果数据一致就把内存中的值改为update。

这样使用CAS就保证了原子操作。其余几个方法的原理跟这个相同,在此不再过多的解释。