java中原子操作的实现分析

一、CAS原理&＃xff1a;

CAS的全程即Compare And Swap&＃xff0c;翻译成中文为比较并交换&＃xff1b;

CAS操作依赖于CPU指令CMPXCHG来实现比较并交换操作的原子性&＃xff0c;通过查看HotSpot源码如下&＃xff1a;

可以看到这个实现跟CPU的类型相关&＃xff0c;程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行&＃xff0c;就为cmpxchg指令加上lock前缀&＃xff08;lock cmpxchg&＃xff09;。反之&＃xff0c;如果程序是在单处理器上运行&＃xff0c;就省略lock前缀&＃xff08;单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性&＃xff0c;不需要lock前缀提供的内存屏障效果&＃xff09;。

二、AtomicInteger源码分析&＃xff1a;

以AtomicInteger类的实现源码分析&＃xff0c;其他原子操作类的代码类似&＃xff1b;

AtomicInteger封装了对int类型的原子操作&＃xff0c;通过类的接口操作int数据都是原子性的&＃xff0c;不会造成在多线程环境中脏数据的读写&＃xff1b;实现int的原子操作是通过unsafe接口函数操作完成的&＃xff08;比如putOrderedInt、compareAndSwapInt等&＃xff09;&＃xff0c;unsafe接口函数都是本地函数&＃xff1b;

在AtomicInteger类中定义了一个int类型的变量&＃xff1a;

接口函数&＃xff1a;

getAndSet:

调用compareAndSet比较current和value值是否相等&＃xff0c;如果相等就设置为newValue并返回True&＃xff0c;否则返回False&＃xff1b;

如果compareAndSet返回false&＃xff0c;则说明value值已经是脏数据&＃xff08;被其他线程修改过&＃xff09;&＃xff0c;因此会一直循环下去&＃xff0c;直至compareAndSet返回True则返回&＃xff1b;

getAndIncrement&＃xff1a;

与上面的类似&＃xff0c;如果compareAndSet返回false&＃xff0c;则会一致循环下去&＃xff0c;直至compareAndSet返回True则返回&＃xff1b;

同样的效果也能通过锁来达到&＃xff0c;但是原子操作的开销比锁的开销小很多&＃xff1b; 

incrementAndGet&＃xff1a;

与上面的类似&＃xff0c;如果compareAndSet返回false&＃xff0c;则会一致循环下去&＃xff0c;直至compareAndSet返回True则返回&＃xff1b;

compareAndSet调用了unsafe.compareAndSwapInt&＃xff0c;unsafe.compareAndSwapInt是本地方法&＃xff0c;调用操作系统原生程序&＃xff1b;通过查看jdk源码发现其实是调用了CMPXCHG指令&＃xff1b;

由于AtomicInteger采用了无限循环的方式来操作&＃xff0c;因此称作自旋CAS方式&＃xff1b;CAS方式存在三大问题&＃xff1a;

1、ABA问题&＃xff1a;因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化&＃xff0c;如果没有发生变化则更新&＃xff0c;但是如果一个值原来是A&＃xff0c;变成了B&＃xff0c;又变成了A&＃xff0c;那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化&＃xff0c;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&＃xff0c;每次变量更新的时候把版本号加一&＃xff0c;那么A&＃xff0d;B&＃xff0d;A 就会变成1A-2B&＃xff0d;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&＃xff0c;并且当前标志是否等于预期标志&＃xff0c;如果全部相等&＃xff0c;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。

　　　　　　public boolean compareAndSet (V expectedReference,//预期引用

                                V newReference,//更新后的引用

                                int expectedStamp, //预期标志

                　　　　  int newStamp) //更新后的标志

2、循环时间长开销大&＃xff1a;自旋CAS如果长时间不成功&＃xff0c;会给CPU带来非常大的执行开销。

3、只能保证一个共享变量的原子操作&＃xff1a;当对一个共享变量执行操作时&＃xff0c;我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作&＃xff0c;但是对多个共享变量操作时&＃xff0c;循环CAS就无法保证操作的原子性&＃xff0c;这个时候就可以用锁&＃xff0c;或者有一个取巧的办法&＃xff0c;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&＃xff1d;2,j&＃61;a&＃xff0c;合并一下ij&＃61;2a&＃xff0c;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&＃xff0c;你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。