JAVA並發之AtomicInteger原理分析

本篇文章我們以AtomicInteger為例子，主要講解下CAS（Compare And Swap）功能是如何在AtomicInteger中使用的，以及提供CAS功能的Unsafe對象。

我們先從一個例子開始吧。假設現在我們要實現多線程應用中的int值自增（單個應用範圍），應該怎麼做呢？

我們可能首先想到的是利用synchronized關鍵字，大概的代碼如下：

private static volatile int value;

public static void main(String[] args) {
Runnable run = new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
increaseBySync();
}
}
};

Thread t1 = new Thread(run);
Thread t2 = new Thread(run);
t1.start();
t2.start();

while (Thread.activeCount() > 1) {
Thread.yield();
}
System.out.println(value);
}

private static synchronized int increaseBySync() {
return value++;
}

上面的例子有兩個線程同時對value變量做自增操作，通過對increaseBySync方法加synchronized鎖實現了線程安全的int值自增。

synchronized性能問題

當多個線程訪問某個syncronized方法或者代碼塊的時候，線程間的切換和其他線程等待的時間間隔（取決於OS實現，存在不確定性），由此帶來的性能損耗是比較大的。從JDK5開始，我們可以藉助於
java.util.concurrent.atomic包所提供的一些工具類，來實現上述的功能，AtomicInteger就是其中的一個類，它使用了CPU級別的CAS功能，利用它我們可以寫出更高效的代碼。

private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
Runnable run = new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 1000; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
}
};

Thread t1 = new Thread(run);
Thread t2 = new Thread(run);
t1.start();
t2.start();

while (Thread.activeCount() > 1) {
Thread.yield();
}
System.out.println(atomicInteger.get());
}

上面的代碼同樣能達到多線程自增的效果，但是更高效。

AtomicInteger源碼分析

下面我們來看下AtomicInteger內部是如何實現的呢。

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;

首先它有一個用volatile修飾的int變量value，volatile這裡主要是保證對value值的更新對每個線程的可見性，關於volatile的介紹可以參考文章末的連結。

這裡比較關鍵的是Unsafe類型的對象。通過它的名字JDK開發者想告訴我們它是不安全的，但是它又提供了一些JVM無法提供的功能，例如CAS就是其中一個。

CAS

下面是AtomicInteger類中的一個方法，它通過Unsafe對象調用了CAS功能。CAS是目前幾乎所有CPU都提供的一個功能，而且是原子操作，藉助它可以實現很多高效的功能。

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

其他atomic工具類

java.util.concurrent.atomic包下面Atomic開頭的類都是基於CAS實現的，大家有興趣可以看看源碼，如果理解了上面所說的，其他的都很類似。

AtomicBoolean

AtomicIntegerArray

AtomicLong

AtomicReference

。。。

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