JUC原子类 Atomic***** 基本类型

2019年3月10日 257次阅读 来源: JUC

1. 功能简介

  • 原子量和普通变量相比，主要体现在读写的线程安全上。对原子量的是原子的(比如多线程下的共享变量i++就不是原子的)，由CAS操作保证原子性。对原子量的读可以读到最新值，由volatile关键字来保证可见性。
  • 原子量多用于数据统计(如接口调用次数)、一些序列生成(多线程环境下)以及一些同步数据结构中。

Atomic…基本类型包括：AtomicInteger, AtomicLong, AtomicBoolean ;

2. 原理分析

public final long incrementAndGet() {
    for (;;) {
        // 获取AtomicLong当前对应的long值
        long current = get();
        // 将current加1
        long next = current + 1;
        // 通过CAS函数，更新current的值
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

说明：核心方法

01. incrementAndGet()首先会根据get()获取AtomicLong对应的long值。该值是volatile类型的变量，get()的源码如下：

// value是AtomicLong对应的long值
private volatile long value;
// 返回AtomicLong对应的long值
public final long get() {
    return value;
}

02.  incrementAndGet()接着将current加1,然后通过CAS函数，将新的值赋值给value。

3. CAS

      CAS：Compare and Swap, 翻译成比较并交换。java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronized同步锁的一种乐观锁。

      CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。


CAS实现了非阻塞算法（nonblocking algorithms）

<span style="font-size:14px;color:#ff0000;">一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法</span>

现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。

拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

   private volatile int value;

首先毫无疑问，在没有锁的机制下可能需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的）。

这样才获取变量的值的时候才能直接读取。

public final int get() {
        return value;
    }

然后来看看i++是怎么做到的。

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

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。

而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

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

     整体的过程就是这样子的，利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法。其它原子操作都是利用类似的特性完成的。

<span style="font-size:14px;">其中

unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

类似：

if (this == expect) {

  this = update

 return true;

} else {

return false;

}</span>

        那么问题就来了，成功过程中需要2个步骤：比较this == expect，替换this = update，compareAndSwapInt如何这两个步骤的原子性呢？ 参考CAS的原理。


4. CAS原理


 CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。

而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。也是通过CPU内部进行加锁之类实现，具体原理参见链接：

http://zl198751.iteye.com/blog/1848575

5. CAS缺点

 

   CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和只能保证一个共享变量的原子操作

1.  ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类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，并且当前标志是否等于预期标志，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。

关于ABA问题参考文档: http://blog.hesey.net/2011/09/resolve-aba-by-atomicstampedreference.html

2. 循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

 

3. 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁，或者有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

6. concurrent包的实现

由于java的CAS同时具有 volatile 读和volatile写的内存语义，因此Java线程之间的通信现在有了下面四种方式：

  1. A线程写volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。
  2. A线程写volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
  3. A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程用CAS更新这个volatile变量。
  4. A线程用CAS更新一个volatile变量，随后B线程读这个volatile变量。

Java的CAS会使用现代处理器上提供的高效机器级别原子指令，这些原子指令以原子方式对内存执行读-改-写操作，这是在多处理器中实现同步的关键（从本质上来说，能够支持原子性读-改-写指令的计算机器，是顺序计算图灵机的异步等价机器，因此任何现代的多处理器都会去支持某种能对内存执行原子性读-改-写操作的原子指令）。同时，volatile变量的读/写和CAS可以实现线程之间的通信。把这些特性整合在一起，就形成了整个concurrent包得以实现的基石。如果我们仔细分析concurrent包的源代码实现，会发现一个通用化的实现模式：

  1. 首先，声明共享变量为volatile；
  2. 然后，使用CAS的原子条件更新来实现线程之间的同步；
  3. 同时，配合以volatile的读/写和CAS所具有的volatile读和写的内存语义来实现线程之间的通信。

AQS，非阻塞数据结构和原子变量类（java.util.concurrent.atomic包中的类），这些concurrent包中的基础类都是使用这种模式来实现的，而concurrent包中的高层类又是依赖于这些基础类来实现的。从整体来看，concurrent包的实现示意图如下：

《JUC原子类 Atomic***** 基本类型》

原文链接：

http://zl198751.iteye.com/blog/1848575  

http://www.cnblogs.com/skywang12345/p/3514593.html

    原文作者：JUC
    原文地址: https://blog.csdn.net/luotuomianyang/article/details/52227684
    本文转自网络文章，转载此文章仅为分享知识，如有侵权，请联系博主进行删除。
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