Java多线程之原子类解析

前言

Java提供的原子类是靠 sun 基于 CAS 实现的，CAS 是一种乐观锁。

原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

AtomicInteger的实现

AtomicInteger 是一个支持原子操作的 Integer 类，就是保证对 AtomicInteger 类型变量的增加和减少操作是原子性的，不会出现多个线程下的数据不一致问题。如果不使用 AtomicInteger，要实现一个按顺序获取的 ID，就必须在每次获取时进行加锁操作，以避免出现并发时获取到同样的 ID 的现象。

接下来通过源代码来看 AtomicInteger 具体是如何实现的原子操作。

首先看 value 的声明：

private volatile int value;

volatile 修饰的 value 变量，保证了变量的可见性。

incrementAndGet() 方法，下面是具体的代码：

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

通过源码，可以知道，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()方法调用的compareAndSwapInt()方法的声明如下，是一个native方法。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, intvar5);

compareAndSet 传入的为执行方法时获取到的 value 属性值，next 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。所以基于 CAS 的操作可认为是无阻塞的，一个线程的失败或挂起不会引起其它线程也失败或挂起。并且由于 CAS 操作是 CPU 原语，所以性能比较好。

类似的，还有 decrementAndGet() 方法。它和 incrementAndGet() 的区别是将 value 减 1，赋值给next 变量。

AtomicInteger 中还有 getAndIncrement() 和 getAndDecrement() 方法，他们的实现原理和上面的两个方法完全相同，区别是返回值不同，前两个方法返回的是改变之后的值，即 next。而这两个方法返回的是改变之前的值，即 current。还有很多的其他方法，就不列举了。

CAS算法

CAS（Compare-And-Swap）算法保证数据操作的原子性。

CAS 算法是硬件对于并发操作共享数据的支持。

CAS 包含了三个操作数：

• 内存值 V
• 预估值 A
• 更新值 B

当且仅当 V == A 时，V 将被赋值为 B，否则循环着不断进行判断 V 与 A 是否相等。

关于乐观锁与悲观锁

乐观锁(Optimistic Lock), 顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制。乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，像数据库如果提供类似于write_condition机制的其实都是提供的乐观锁。

CAS便是乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

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。

悲观锁(Pessimistic Lock), 顾名思义，就是很悲观，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里边就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在做操作之前先上锁。

比如说synchronized就是一种独占锁，他假设最坏的情况，并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

缺点：

由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事。举个栗子，如果一个线程需要某个资源，但是这个资源的占用时间很短，当线程第一次抢占这个资源时，可能这个资源被占用，如果此时挂起这个线程，可能立刻就发现资源可用，然后又需要花费很长的时间重新抢占锁，时间代价就会非常的高。

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