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AtomicInteger原理

tuantuan / 3237人閱讀

摘要：提供這些原子類的目的就是為了解決基本類型操作的非原子性導(dǎo)致在多線程并發(fā)情況下引發(fā)的問(wèn)題。測(cè)試代碼引發(fā)的線程問(wèn)題最終的值為如果是原子操作，那么結(jié)果應(yīng)該就是，反復(fù)運(yùn)行幾次發(fā)現(xiàn)結(jié)果大部分情況下都不是，這也證明了的非原子性在多線程下產(chǎn)生的問(wèn)題。

AtomicInteger的原理

java的并發(fā)原子包里面提供了很多可以進(jìn)行原子操作的類，比如：

AtomicInteger

AtomicBoolean

AtomicLong

AtomicReference

等等，一共分為四類：原子更新基本類型（3個(gè)）、原子更新數(shù)組、原子更新引用和原子更新屬性（字段）。、提供這些原子類的目的就是為了解決基本類型操作的非原子性導(dǎo)致在多線程并發(fā)情況下引發(fā)的問(wèn)題。那么非原子性的操作會(huì)引發(fā)什么問(wèn)題呢？下面我們通過(guò)一個(gè)示例來(lái)看一下。

1. i++引發(fā)的問(wèn)題

我們知道基本類型的賦值操作是原子操作，但是類似這種i++的操作并不是原子操作，通過(guò)反編譯代碼我們可以大致了解此操作分為三個(gè)階段：

tp1 = i;  //1
tp2 = tp1 + 1;  //2
i = tp2;  //3

如果有兩個(gè)線程m和n要執(zhí)行i++操作，因?yàn)橹嘏判虻挠绊?，代碼執(zhí)行順序可能會(huì)發(fā)生改變。如果代碼的執(zhí)行順序是m1 - m2 - m3 - n1 - n2 - n3，那么結(jié)果是沒(méi)問(wèn)題的，如果代碼的執(zhí)行順序是m1 - n1 - m2 - n2 - m3 - n3那么很明顯結(jié)果就會(huì)出錯(cuò)。

測(cè)試代碼 
package com.wangjun.thread;

public class AtomicIntegerTest {
    
    private static int n = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          //i++引發(fā)的線程問(wèn)題
        Thread t1 = new Thread() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                    n++;
                }
            }; 
        };
        Thread t2 = new Thread() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                    n++;
                }
            };
        };
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最終n的值為：" + n);
    }
}

如果i++是原子操作，那么結(jié)果應(yīng)該就是2000，反復(fù)運(yùn)行幾次發(fā)現(xiàn)結(jié)果大部分情況下都不是2000，這也證明了i++的非原子性在多線程下產(chǎn)生的問(wèn)題。當(dāng)然我們可以通過(guò)加鎖的方式保證操作的原子性，但本文的重點(diǎn)是使用原子類的解決這個(gè)問(wèn)題。

最終n的值為：1367
---
最終n的值為：1243
---
最終n的值為：1380
2. AtomicInteger的原子操作

上面的問(wèn)題可以使用AtomicInteger來(lái)解決，我們更改一下代碼如下：

package com.wangjun.thread;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicIntegerTest {
    
    private static AtomicInteger n2 = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
          Thread t1 = new Thread() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i < 1000; i++) {
                    n2.incrementAndGet();
                }
            }; 
        };
        Thread t2 = new Thread() {
            public void run() {
                for(int i = 0; i< 1000; i++) {
                    n2.incrementAndGet();
                }
            }
        };
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("最終n2的值為：" + n2.toString());
    }
}

多次運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)結(jié)果永遠(yuǎn)是2000，由此可以證明AtomicInteger的操作是原子性的。

最終n2的值為：2000

那么AtomicInteger是通過(guò)什么機(jī)制來(lái)保證原子性的呢？接下來(lái)，我們對(duì)源碼進(jìn)行一下分析。

3. AtomicInteger源碼分析 構(gòu)造函數(shù) 
private volatile int value;
/*
 * AtomicInteger內(nèi)部聲明了一個(gè)volatile修飾的變量value用來(lái)保存實(shí)際值
 * 使用帶參的構(gòu)造函數(shù)會(huì)將入?yún)①x值給value，無(wú)參構(gòu)造器value默認(rèn)值為0
 */
public AtomicInteger(int initialValue) {
  value = initialValue;
}
自增函數(shù) 
import sun.misc.Unsafe;
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); }
}
/*
 * 可以看到自增函數(shù)中調(diào)用了Unsafe函數(shù)的getAndAddInt方法
 */
public final int incrementAndGet() {
  return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

那么這個(gè)getAndAddInt方法是干嘛的呢，首先來(lái)了解一下Unsafe這個(gè)類。

Unsafe類是在sun.misc包下，不屬于Java標(biāo)準(zhǔn)。但是很多Java的基礎(chǔ)類庫(kù)，包括一些被廣泛使用的高性能開(kāi)發(fā)庫(kù)都是基于Unsafe類開(kāi)發(fā)的，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe類在提升Java運(yùn)行效率，增強(qiáng)Java語(yǔ)言底層操作能力方面起了很大的作用。
Unsafe類使Java擁有了像C語(yǔ)言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，同時(shí)也帶來(lái)了指針的問(wèn)題。過(guò)度的使用Unsafe類會(huì)使得出錯(cuò)的幾率變大，因此Java官方并不建議使用的，官方文檔也幾乎沒(méi)有。
通常我們最好也不要使用Unsafe類，除非有明確的目的，并且也要對(duì)它有深入的了解才行。

再來(lái)說(shuō)Unsafe的getAndAddInt，通過(guò)反編譯可以看到實(shí)現(xiàn)代碼：

/*
 * 其中g(shù)etIntVolatile和compareAndSwapInt都是native方法
 * getIntVolatile是獲取當(dāng)前的期望值
 * compareAndSwapInt就是我們平時(shí)說(shuō)的CAS(compare and swap)，通過(guò)比較如果內(nèi)存區(qū)的值沒(méi)有改變，那么就用新值直接給該內(nèi)存區(qū)賦值
 */
public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
{
  int i;
  do
  {
    i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
  } while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt));
  return i;
}

incrementAndGet是將自增后的值返回，還有一個(gè)方法getAndIncrement是將自增前的值返回，分別對(duì)應(yīng)++i和i++操作。同樣的decrementAndGet和getAndDecrement則對(duì)--i和i--操作。

參考：
java的Unsafe類：https://www.cnblogs.com/pkufo...

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