基于CAS和Unsafe的AtomicInteger源码实现

我会带着你远行 2022-03-21 14:07 263阅读 0赞

## 基于CAS和Unsafe的AtomicInteger源码实现 ##

当程序更新一个变量时，如果多线程同时更新这个变量，可能得到期望之外的值，比如变量i=1，A线程更新i+1，B线程也更新i+1，经过两个线程操作之后可能i不等于3，而是等于2。因为A和B线程在更新变量i的时候拿到的i都是1，这就是线程不安全的更新操作，通常我们会使用synchronized来解决这个问题，synchronized会保证多线程不会同时更新变量i。

而Java从JDK 1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下简称Atomic包），这个包中的原子操作类提供了一种用法简单、性能高效、线程安全地更新一个变量的方式。

因为变量的类型有很多种，所以在Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性（字段）。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

### 一、原子更新基本类型—以AtomicInteger为例 ###

1.  作用
    
    提供以原子的方式更新基本类型。
2.  类型
    
     *  AtomicBoolean 原子更新布尔类型
     *  AtomicInteger 原子更新整型类型
     *  AtomicLong 原子更新长整型类型

### 二、AtomicInteger初始化 ###

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
            private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
        
            // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
            // 这里可以看出，他是基于Unsafe类实现的
            private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
            
            // 属性value值再内存中偏移量
            private static final long valueOffset;
        
            static {
                try {
                    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                        (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
                } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
            }
        
            // AtomicInteger 本身是个整型，所以最重要的属性就是value
            private volatile int value;
        
            /**
             * Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
             *
             * @param initialValue the initial value
             */
            public AtomicInteger(int initialValue) {
                value = initialValue;
            }
        
            /**
             * Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.
             */
            public AtomicInteger() {
            }
            
        }

可以看出：

*  Unsafe是CAS的核心，也是AtomicInteger的核心
 *  valueOffset是变量值在内存中的偏移地址，而Unsafe提供了相应的方法
 *  value是volatile修饰，其实这是真正存储值的变量

### 三、AtomicInteger常用方法 ###

1.  getAndIncrement() 获取后自增1

public final int getAndIncrement() {
            return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
        }

Unsafe类中：

/**
         * Atomically adds the given value to the current value of a field
         * or array element within the given object <code>o</code>
         * at the given <code>offset</code>.
         *
         * @param o object/array to update the field/element in
         * @param offset field/element offset
         * @param delta the value to add
         * @return the previous value
         * @since 1.8
         */
        public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
            int v;
            do {
                v = getIntVolatile(o, offset);
            } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
            return v;
        }
        
         /**
          * Atomically update Java variable to <tt>x</tt> if it is currently
          * holding <tt>expected</tt>.
          * @return <tt>true</tt> if successful
          */
         public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                          int expected,
                                                          int x);

情景模拟：  
假如现有一个`new AtomicInteger(0);`现在有`线程1`和`线程2`同时要对其执行`getAndAddInt`操作。

1）线程1先拿到值0，此时线程切换；

2）线程2拿到值也为0，此时调用Unsafe比较内存中的值也是0，比较成功，即进行+1的更新操作，即现在的值为1。线程切换；

3）线程1恢复运行，利用CAS发现自己的值是0，而内存中则是1。得到：此时值被另外一个线程修改，我不能进行修改；

4）线程1判断失败，继续循环取值，判断。因为`volatile`修饰value,所以再取到的值也是1。这是在执行CAS操作，发现expect和此时内存的值相等，修改成功，值为2

5）在第四步中的过程中，即使在`CAS`操作时有线程3来抢占资源，但是也是无法抢占成功的,因为compareAndSwapInt是一个原子操作。

所以在整个的更新过程中通过了`CAS`保证了`操作的原子性`。

1.  其他方法都和1中类似
2.  AtomicLong、AtomicBoolean等其他

Atomic包提供了3种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char、float和double等。那么问题来了?如何原子的更新其他的基本类型呢？Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的，让我们一起看一下Unsafe的源码。

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

通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapIntcompareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现它是先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似的思路来实现。

下面我们来看看AtomicBoolean的实现：

public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
            boolean prev;
            do {
                prev = get();
            } while (!compareAndSet(prev, newValue));
            return prev;
        }
    
        // 非0就是true,否则就是false
        public final boolean get() {
            return value != 0;
        }
    
        // 最后调用的是Unsafe类的compareAndSwapInt，把boolean转换成int类型进行运算
        public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
            int e = expect ? 1 : 0;
            int u = update ? 1 : 0;
            return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
        }

### 三、原子更新数组—以AtomicIntegerArray为例 ###

1.  类型
    
     *  `AtomicIntegerArray` 原子更新整形数组里的元素
     *  `AtomicLongArray` 原子更新长整形数组里的元素
     *  `AtomicReferenceArray` 原子更新引用类型数组里的元素
2.  AtomicIntegerArray中常用方法
    
    1.  addAndGet() 以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加

public final int addAndGet(int i, int delta) {
               return getAndAdd(i, delta) + delta;
           }
    
           public final int getAndAdd(int i, int delta) {
               return unsafe.getAndAddInt(array, checkedByteOffset(i), delta);
           }
    
           // 最终还是利用Unsafe类中compareAndSwapInt方法实现的
           public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
               int v;
               do {
                   v = getIntVolatile(o, offset);
               } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
               return v;
           }
    
           public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                         int expected,
                                                         int x);

1.  compareAndSet(int i, int expect, int update)如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值

public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
               return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
           }
    
           private boolean compareAndSetRaw(long offset, int expect, int update) {
               return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);
           }

1.  其他方法和之前的类似，这里省略

### 四、原子更新引用类型—以AtomicReference为例 ###

1.  类型
    
     *  `AtomicReference` 原子更新引用类
     *  `AtomicReferenceFieldUpdater` 原子更新引用类型里的字段
     *  `AtomicMarkableReference` 原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，boolean initialMark）
        
        以上几个类提供的方法几乎一样，所以仅以AtomicReference为例进行讲解
2.  AtomicReference示例

public class TestReference {
           private static AtomicReference<User> referenceUser = new AtomicReference<>();
           public static void main(String[] args) {
               User u1 = new User("tom", 11);
               User updateUser = new User("jack", 22);
               referenceUser.set(u1);
               referenceUser.compareAndSet(u1, updateUser);
               System.out.println(referenceUser.get().getName());
               System.out.println(referenceUser.get().getAge());
           }
    
           static class User {
               private String name;
               private int age;
    
               public User() {}
    
               public User(String name, int age) {
                   this.name = name;
                   this.age = age;
               }
               //省略get/set方法
           }
       }

### 五、原子更新字段类型 ###

1.  类型  
    如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新。
    
     *  AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器
     *  AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器
     *  AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子更新时可能出现的`ABA`问题。
    
    要想原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符