Java原子类及内部原理

谁借莪１个温暖的怀抱￠ 2022-09-09 11:53 298阅读 0赞

**一、引入**

原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型） 这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作是原子操作。再比如：a++；

这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一

个原子操作。

但是，像i++这种非原子操作，我们除了使用synchroinzed关键字实现同步外，还可以使用java.util.concurrent.atomic提供的线程安全的原子类来实现，例如

AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。下面我们就基于AtomicInteger为例，来看看其内部实现。

6类原子类：

<table style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td>原子类类型</td> 
   <td>JUC的atomic归类</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Atomic*基本原子类</td> 
   <td>AtomicInteger<br> AtomicLong<br> AtomicBoolean</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Atomic*Array数组类型原子类</td> 
   <td>AtomicIntegerArray<br> AtomicLongArray<br> AtomicReferenceArray</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AtomicReference引用类型原子类</td> 
   <td>AtomicReference<br> AtomicStampedReference<br> AtomicMarkableReference</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>AtomicFieldUpdater升级类型原子类</td> 
   <td>AtomicIntegerFieldUpdater<br> AtomicLongFieldUpdater<br> AtomicReferenceFieldUpdater</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Adder累加器</td> 
   <td>LongAdder<br> DoubleAdder</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>Accumulator累加器</td> 
   <td>LongAccumulator<br> DoubleAccumulator</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

**二、AtomicInteger的内部实现**

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
        private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
    
        // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
        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;

这段代码我们需要注意一下几个方面：

（1）unsafe字段，AtomicInteger包含了一个Unsafe类的实例，unsafe就是用来实现CAS机制的，CAS机制我们在后面会讲到；

（2）value字段，表示当前对象代码的基本类型的值，AtomicInteger是int型的线程安全包装类，value就代码了AtomicInteger的值。注意，这个字段是volatile的。

（3）valueOfset，指是value在内存中的偏移量，也就是在内存中的地址，通过Unsafe.objectFieldOffset(Field f)获取。这个值在使用CAS机制的时候会用到。

下面我们来看一个AtomicInteger类中的主要方法getAndIncrement()，也就相当于i++操作，只不过它是线程安全的，其实现代码如下：

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

这个方法的做法为先获取到当前的 value 属性值，然后将 value 加 1，赋值给一个局部的 next 变量，然而，这两步都是非线程安全的，但是内部有一个死循环，

不断去做compareAndSet操作，直到成功为止，也就是修改的根本在compareAndSet方法里面。compareAndSet()方法的代码如下：

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

compareAndSet 传入的为执行方法时获取到的 value 属性值，update为加 1 后的值， compareAndSet所做的为调用 Sun 的 UnSafe 的 compareAndSwapInt

方法来完成，此方法为 native 方法，compareAndSwapInt 基于的是CPU 的 CAS指令来实现的。下面我们将详细的来介绍一下CAS的实现原理。

**三、CAS机制**

CAS是英文单词**Compare And Swap**的缩写，翻译过来就是比较并替换。CAS机制当中使用了3个基本操作数：

（1）内存地址V，也就是AtomicInteger中的valueOffset。

（2）旧的预期值A，也就是getAndIncrement方法中的current。

（3）要修改的新值B，也就是getAndIncrement方法中的next。

CAS机制中，更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。下面我们来看一个具体的例子：

（1）在内存地址V当中，存储着值为10的变量。