Java原子类实现原理分析

在谈谈java中的volatile一文中,我们提到过并发包中的原子类可以解决类似num++这样的复合类操作的原子性问题,相比锁机制,使用原子类更精巧轻量,性能开销更小,本章就一起来分析下原子类的实现机理。

悲观的解决方案(阻塞同步)

我们知道,num++看似简单的一个操作,实际上是由1.读取 2.加一 3.写入 三步组成的,这是个复合类的操作(所以我们之前提到过的volatile是无法解决num++的原子性问题的),在并发环境下,如果不做任何同步处理,就会有线程安全问题。最直接的处理方式就是加锁

synchronized(this){
    num++;
 }

使用独占锁机制来解决,是一种悲观的并发策略,抱着一副“总有刁民想害朕”的态势,每次操作数据的时候都认为别的线程会参与竞争修改,所以直接加锁。同一刻只能有一个线程持有锁,那其他线程就会阻塞。线程的挂起恢复会带来很大的性能开销,尽管jvm对于非竞争性的锁的获取和释放做了很多优化,但是一旦有多个线程竞争锁,频繁的阻塞唤醒,还是会有很大的性能开销的。所以,使用synchronized或其他重量级锁来处理显然不够合理。

乐观的解决方案(非阻塞同步)

乐观的解决方案,顾名思义,就是很大度乐观,每次操作数据的时候,都认为别的线程不会参与竞争修改,也不加锁。如果操作成功了那最好;如果失败了,比如中途确有别的线程进入并修改了数据(依赖于冲突检测),也不会阻塞,可以采取一些补偿机制,一般的策略就是反复重试。很显然,这种思想相比简单粗暴利用锁来保证同步要合理的多。

鉴于并发包中的原子类其实现机理都差不太多,本章我们就通过AtomicInteger这个原子类来进行分析。我们先来看看对于num++这样的操作AtomicInteger是如何保证其原子性的。

 /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

我们来分析下incrementAndGet的逻辑:

1.先获取当前的value值

2.对value加一

3.第三步是关键步骤,调用compareAndSet方法来来进行原子更新操作,这个方法的语义是:

先检查当前value是否等于current,如果相等,则意味着value没被其他线程修改过,更新并返回true。如果不相等,compareAndSet则会返回false,然后循环继续尝试更新。

  compareAndSet调用了Unsafe类的compareAndSwapInt方法

/**
     * Atomically sets the value to the given updated value
     * if the current value {@code ==} the expected value.
     *
     * @param expect the expected value
     * @param update the new value
     * @return true if successful. False return indicates that
     * the actual value was not equal to the expected value.
     */
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

Unsafe的compareAndSwapInt是个native方法,也就是平台相关的。它是基于CPU的CAS指令来完成的。

    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

CAS(Compare-and-Swap)  

CAS算法是由硬件直接支持来保证原子性的,有三个操作数:内存位置V、旧的预期值A和新值B,当且仅当V符合预期值A时,CAS用新值B原子化地更新V的值,否则,它什么都不做。

CAS的ABA问题

当然CAS也并不完美,它存在”ABA”问题,假若一个变量初次读取是A,在compare阶段依然是A,但其实可能在此过程中,它先被改为B,再被改回A,而CAS是无法意识到这个问题的。CAS只关注了比较前后的值是否改变,而无法清楚在此过程中变量的变更明细,这就是所谓的ABA漏洞。

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