Java原子类的使用与实现

简介

通常情况下，在Java中，++i这类自增/自减运算符在并发环境中不能保证并发安全。需要通过加锁才能解决并发环境下的原子性问题。Atomic原子类通过CAS方式来解决线程安全问题，CAS是一种无锁算法（乐观锁），乐观锁多用于“读多写少“的环境，避免频繁加锁影响性能；而悲观锁多用于”写多读少“的环境，避免频繁失败和重试影响性能。

Atomic原子类分为以下几类：

基本类型：AtomicInteger，AtomicLong，AtomicBoolean
数组类型：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
引用类型：AtomicReference，AtomicStampedRerence，AtomicMarkableReference
更新字段类：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater
Java8 新增类：DoubleAccumulator，DoubleAdder，LongAccumulator，LongAdder

使用

原子基本类型

使用原子的方式更新基本类型。

AtomicBoolean: 原子布尔类型。
AtomicInteger: 原子整型。
AtomicLong: 原子长整型。

以下以AtomInteger举例：

//以原子方式将给定值与当前值相加，线程安全的i = i + delta
int addAndGet(int delta);
//如果当前值== except，则以原子方式将当前值设置为update，成功返回true
boolean compareAndSet(int expect, int update);
//以原子方式将当前值减1，相当于线程安全的i--
int decrementAndGet();
//以原子方式将当前值加1，相当于线程安全的i++
int incrementAndGet()


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

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

    private volatile int value;

/**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    /**
     * Atomically decrements by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }

从上面代码可以看出，AtomicInteger底层使用volatile关键字和CAS来保证线程安全。其中：

volatile保证线程的可见性，让每次读取的变量都是最新值
CAS保证原子性

原子数组

以原子方式更新数组中的某个元素。

AtomicIntegerArray: 原子更新整型数组里的元素。
AtomicLongArray: 原子更新长整型数组里的元素。
AtomicReferenceArray: 原子更新引用类型数组里的元素。

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(new int[] { 0, 0 });
        System.out.println(array);
        System.out.println(array.getAndAdd(1, 2));
        System.out.println(array);
    }

原子引用类型

AtomicReference：原子更新引用类型。
AtomicStampedReference：原子更新引用类型,内部使用Pair来存储元素值及其版本号。
AtomicMarkableReferce：原子更新带有标记位的引用类型，标记是否被改过。

// 创建两个Person对象，它们的id分别是101和102。
Person p1 = new Person(101);
Person p2 = new Person(102);
// 新建AtomicReference对象，初始化它的值为p1对象
AtomicReference ar = new AtomicReference(p1);
// 通过CAS设置ar。如果ar的值为p1的话，则将其设置为p2。
ar.compareAndSet(p1, p2);
Person p3 = (Person)ar.get();
System.out.println("p3 is "+p3);
System.out.println("p3.equals(p1)="+p3.equals(p1));


//output

p3 is id:102
p3.equals(p1)=false

原子字段类

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新Integer的字段的更新器。
AtomicLongFieldUpdater：原子更新Long字段的更新器。
AtomicStampedFieldUpdater：原子更新带有版本号的引用类型。
AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用的更新器。

这四个类通过反射更新字段的值，使用字段类如下：

使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并需要设置想要更新的类和属性。
更新类的字段必须使用public volatile修饰。

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {


     private static Class<Person> cls;
     
     public static void main(String[] args) {
        AtomicIntegerFieldUpdater<Person> mAtoLong = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Person.class, "id");
        Person person = new Person(1000);
        mAtoLong.compareAndSet(person, 1000, 1001);
        System.out.println("id="+person.getId());
     }
}

class Person {
    volatile int id;
    public Person(int id) {
        this.id = id;
    }
    public void setId(int id) {
        this.id = id;
    }
    public int getId() {
        return id;
    }
}

使用该类有如下约束：

字段必须由volatile修饰
字段的访问修饰符能让调用方访问到。
只能是实例变量，不能加static
对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型(Integer/Long)。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

CAS理论

CAS（Compare-And-Swap）：是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值。一个当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则返回false。CAS的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。

CAS在X86架构下汇编指令是lock cmpxchg。需要和volatile配合使用，保证拿到的变量是最新值。

虽然乐观锁通常情况下比悲观锁性能更优，但是还存在以下一些问题：

ABA问题

CAS自旋需要在操作值得时候检查是否发生变化，但是如果一个值是A，变成B，然后又变成A，CAS检查会发现没有变化。AtomicStampedReference来解决ABA问题：这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前stamp是否等于预期stamp，这里的stamp类似于版本号功能。如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

循环时间长开销大

CAS自旋如果长时间不成功，会给CPU带来较大得执行开销。

只能保证一个共享变量的原子操作

对多个共享变量操作时，CAS无法保证多个操作的原子性，但是可以使用锁来解决。当然可以将多个共享变量合并成一个共享变量来操作，比如i = 2;j = a，合并为ij = 2a，然后CAS操作ij，从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

Unsafe-CAS解析

Java中原子类中CAS操作通过调用Unsafe去实现，Unsafe是位于sun.misc下的一个类，提供的功能主要如下：

数组相关
- 返回数组元素内存大小
- 返回数组首元素偏移大小
内存屏障
- 禁止load, store重排序
系统相关
- 返回内存页的大小
- 返回系统指针大小
线程调度
- 线程挂起, 恢复
- 获取，释放锁
内存操作
- 分配、拷贝、扩充、释放堆外内存
CAS
Class
- 动态创建类
- 获取field的内存地址偏移量
- 检测、确保类初始化
对象操作
- 获取对象成员属性的偏移量
- 非常规对象实例化
- 存储、获取指定偏移地址的变量值。

下文对Unsafe的CAS做简要分析。

public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

        return var5;
    }

    public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));

        return var6;
    }

Unsafe调用compareAndSwapInt进行CAS操作，使用while操作进行自旋。这是一个native方法，实现位于unsafe.cpp，cmpxchg在不同平台上有不同的实现。

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
  oop p = JNIHandles::resolve(obj);
  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END

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