淺談Java中的atomic包實現原理及應用

1.同步問題的提出

假設我們使用一個雙核處理器執行A和B兩個線程，核1執行A線程，而核2執行B線程，這兩個線程現在都要對名為obj的對象的成員變量i進行加1操作，假設i的初始值為0，理論上兩個線程運行后i的值應該變成2，但實際上很有可能結果為1。

我們現在來分析原因，這里為了分析的簡單，我們不考慮緩存的情況，實際上有緩存會使結果為1的可能性增大。A線程將內存中的變量i讀取到核1算數運算單元中，然后進行加1操作，再將這個計算結果寫回到內存中，因為上述操作不是原子操作，只要B線程在A線程將i增加1的值寫回到內存之前，讀取了內存中i的值（此時i值為0），那么一定就會出現i的結果為1。因為A和B線程讀取的i的值都為0，兩個線程對它加1后的值都為1，兩個線程先后將1寫入到變量i中,也就是說i被兩次寫入的值都為1。

最通常的解決方法是兩個線程中對i加1的代碼用synchronize關鍵字對obj對象加鎖。今天我們介紹一種新的解決方案，即使用Atomic包中的相關類來解決。

2.Atomic在硬件上的支持

在單處理器系統(UniProcessor)中，能夠在單條指令中完成的操作都可以認為是"原子操作"，因為中斷只能發生于指令之間（因為線程的調度需要通過中斷完成）。這也是某些CPU指令系統中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于臨界資源互斥的原因。在對稱多處理器(SymmetricMulti-Processor)結構中就不同了，由于系統中有多個處理器在獨立地運行，即使能在單條指令中完成的操作也有可能受到干擾。

在x86平臺上，CPU提供了在指令執行期間對總線加鎖的手段。CPU芯片上有一條引線#HLOCKpin，如果匯編語言的程序中在一條指令前面加上前綴"LOCK"，經過匯編以后的機器代碼就使CPU在執行這條指令的時候把#HLOCKpin的電位拉低，持續到這條指令結束時放開，從而把總線鎖住，這樣同一總線上別的CPU就暫時不能通過總線訪問內存了，保證了這條指令在多處理器環境中的原子性。當然，并不是所有的指令前面都可以加lock前綴的，只有ADD,ADC,AND,BTC,BTR,BTS,CMPXCHG,DEC,INC,NEG,NOT,OR,SBB,SUB,XOR,XADD,和XCHG指令前面可以加"LOCK"指令，實現原子操作。

Atomic的核心操作就是CAS（compareandset,利用CMPXCHG指令實現，它是一個原子指令）,該指令有三個操作數，變量的內存值V（value的縮寫），變量的當前預期值E（exception的縮寫），變量想要更新的值U（update的縮寫），當內存值和當前預期值相同時，將變量的更新值覆蓋內存值，執行偽代碼如下。

if(V == E){ 
  V = U 
  return true 
}else{ 
  return false 
}

現在我們就用CAS操作來解決上述問題。B線程將內存中的變量i讀取一個臨時變量中（假設此時讀取的值為0），然后再將i的值讀取到core1的算數運算單元中，接下來進行加1操作，比較臨時變量中的值和i當前的值是否相同，如果相同用運算單元中的結果（即i+1）的值覆蓋內存中i的值（注意這一部分就是CAS操作，它是個原子操作，不能被中斷且其它線程中的CAS操作不能同時執行），否則指令執行失敗。如果指令失敗，說明A線程已經將i的值加1。由此可知如果兩個線程一開始讀取的i的值為都為0，那么必然只有一個線程的CAS操作能夠成功，因為CAS操作不能并發執行。對于CAS操作執行失敗的線程，只要循環執行CAS操作，那么一定能夠成功。可以看到并沒有線程阻塞，這和synchronize的原理有著本質的不同。

3.Atomic包簡介及源碼分析

Atomic包中的類基本的特性就是在多線程環境下，當有多個線程同時對單個（包括基本類型及引用類型）變量進行操作時，具有排他性，即當多個線程同時對該變量的值進行更新時，僅有一個線程能成功，而未成功的線程可以向自旋鎖一樣，繼續嘗試，一直等到執行成功。

Atomic系列的類中的核心方法都會調用unsafe類中的幾個本地方法。我們需要先知道一個東西就是Unsafe類，全名為：sun.misc.Unsafe，這個類包含了大量的對C代碼的操作，包括很多直接內存分配以及原子操作的調用，而它之所以標記為非安全的，是告訴你這個里面大量的方法調用都會存在安全隱患，需要小心使用，否則會導致嚴重的后果，例如在通過unsafe分配內存的時候，如果自己指定某些區域可能會導致一些類似C++一樣的指針越界到其他進程的問題。

Atomic包中的類按照操作的數據類型可以分成4組

AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong

線程安全的基本類型的原子性操作

AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

線程安全的數組類型的原子性操作，它操作的不是整個數組，而是數組中的單個元素

AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater

基于反射原理對象中的基本類型（長整型、整型和引用類型）進行線程安全的操作

AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

線程安全的引用類型及防止ABA問題的引用類型的原子操作

我們一般常用的AtomicInteger、AtomicReference和AtomicStampedReference。現在我們來分析一下Atomic包中AtomicInteger的源代碼，其它類的源代碼在原理上都比較類似。

1.有參構造函數

public AtomicInteger(int initialValue) { 
  value = initialValue;
}

從構造函數函數可以看出，數值存放在成員變量value中

private volatile int value;

成員變量value聲明為volatile類型，說明了多線程下的可見性，即任何一個線程的修改，在其它線程中都會被立刻看到

2.compareAndSet方法（value的值通過內部this和valueOffset傳遞）

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

這個方法就是最核心的CAS操作

3.getAndSet方法,在該方法中調用了compareAndSet方法

public final int getAndSet(int newValue) {
    for (;;) {
      int current = get();
      if (compareAndSet(current, newValue))
        return current;
    }
}

如果在執行if(compareAndSet(current,newValue)之前其它線程更改了value的值，那么導致value的值必定和current的值不同，compareAndSet執行失敗，只能重新獲取value的值，然后繼續比較，直到成功。

4.i++的實現

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

5. ++i的實現

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

4.使用AtomicInteger例子

下面的程序，利用AtomicInteger模擬賣票程序，運行結果中不會出現兩個程序賣了同一張票，也不會賣到票為負數

package javaleanning;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
public class SellTickets {
	AtomicInteger tickets = new AtomicInteger(100);
	class Seller implements Runnable{
		@Override
		    public void run() {
			while(tickets.get() > 0){
				int tmp = tickets.get();
				if(tickets.compareAndSet(tmp, tmp-1)){
					System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" "+tmp);
				}
			}
		}
	}
	public static void main(String[] args) {
		SellTickets st = new SellTickets();
		new Thread(st.new Seller(), "SellerA").start();
		new Thread(st.new Seller(), "SellerB").start();
	}
}

5.ABA問題

上述的例子運行結果完全正確，這是基于兩個（或多個）線程都是向同一個方向對數據進行操作，上面的例子中兩個線程都是是對tickets進行遞減操作。再比如，多個線程對一個共享隊列都進行對象的入列操作，那么通過AtomicReference類也可以得到正確的結果（AQS中維護的隊列其實就是這個情況），但是多個線程即可以入列也可以出列，也就是數據的操作方向不一致，那么可能出現ABA的情況。

我們現在拿一個比較好理解的例子來解釋ABA問題，假設有兩個線程T1和T2，這兩個線程對同一個棧進行出棧和入棧的操作。

我們使用AtomicReference定義的tail來保存棧頂位置

AtomicReference<T> tail;

假設T1線程準備出棧，對于出棧操作我們只需要將棧頂位置由sp通過CAS操作更新為newSP即可，如圖1所示。但是在T1線程執行tail.compareAndSet(sp,newSP)之前系統進行了線程調度，T2線程開始執行。T2執行了三個操作，A出棧，B出棧，然后又將A入棧。此時系統又開始調度，T1線程繼續執行出棧操作，但是在T1線程看來，棧頂元素仍然為A，（即T1仍然認為B還是棧頂A的下一個元素），而實際上的情況如圖2所示。T1會認為棧沒有發生變化，所以tail.compareAndSet(sp,newSP)執行成功，棧頂指針被指向了B節點。而實際上B已經不存在于堆棧中，T1將A出棧后的結果如圖3所示，這顯然不是正確的結果。

6.ABA問題的解決方法

使用AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference。使用上述兩個Atomic類進行操作。他們在實現compareAndSet指令的時候除了要比較當對象的前值和預期值以外，還要比較當前（操作的）戳值和預期（操作的）戳值，當全部相同時，compareAndSet方法才能成功。每次更新成功，戳值都會發生變化，戳值的設置是由編程人員自己控制的。

public Boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, 
              int expectedStamp,int newStamp) {
	Pair<V> current = pair;
	return expectedReference == current.reference && 
	      expectedStamp == current.stamp &&
	      ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) || 
	      casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

這時的compareAndSet方法需要四個參數expectedReference,newReference,expectedStamp,newStamp，我們在使用這個方法時要保證期望的戳值和要更新戳值不能一樣，通常newStamp=expectedStamp+1

還拿上述的例子

假設線程T1在彈棧之前：sp指向A，戳值為100。

線程T2執行：將A出棧后，sp指向B，戳值變為101，

B出棧后，sp指向C，戳值變為102，

A入棧后，sp指向A，戳值變為103，

線程T1繼續執行compareAndSet語句，發現sp雖然還是指向A，但是戳值的預期值100和當前值103不同，所以compareAndSet失敗，需要從新獲取newSP的值（此時newSP就會指向C），以及戳的預期值103，然后再次進行compareAndSet操作，這樣A成功出棧，sp會指向C。

注意，由于compareAndSet只能一次改變一個值，無法同時改變newReference和newStamp，所以在實現的時候，在內部定義了一個類Pair類將newReference和newStamp變成一個對象，進行CAS操作的時候，實際上是對Pair對象的操作

private static class Pair<T> {
  final T reference;
  final int stamp;
  private Pair(T reference, int stamp) {
    this.reference = reference;
    this.stamp = stamp;
  }
  static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
    return new Pair<T>(reference, stamp);
  }
}

對于AtomicMarkableReference而言，戳值是一個布爾類型的變量，而AtomicStampedReference中戳值是一個整型變量。

總結

以上就是本文關于淺談Java中的atomic包實現原理及應用的全部內容，希望對大家有所幫助。感興趣的朋友可以繼續參閱本站其他相關專題，如有不足之處，歡迎留言指出。