Java多線程：AtomicInteger 原子更新基本類型類

前言

原子是世界上的最小單位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double類型） 這個操作是不可分割的，那么我們說這個操作時原子操作。再比如：a++； 這個操作實際是a = a + 1；是可分割的，所以它不是一個原子操作（線程執行a=0這個語句時直接將數據寫入內存中；而執行a++時，會先獲取a的值，再去執行加操作，最后再將數據寫入內存）。只有簡單的讀取、賦值（而且必須是將數字賦值給某個變量，變量之間的相互賦值不是原子操作）才是原子操作。非原子操作都會存在線程安全問題，需要我們使用同步技術（sychronized）來讓它變成一個原子操作。一個操作是原子操作，那么我們稱它具有原子性。Java從JDK1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包，方便程序員在多線程環境下，無鎖的進行原子操作。原子變量的底層使用了處理器提供的原子指令，但是不同的CPU架構可能提供的原子指令不一樣，也有可能需要某種形式的內部鎖，所以該方法不能絕對保證線程不被阻塞。

Atomic包介紹

在Atomic包里一共有12個類，四種原子更新方式，分別是原子更新基本類型，原子更新數組，原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。

 

原子更新基本類型

用於通過原子的方式更新基本類型，Atomic包提供了以下三個類：

• AtomicBoolean：原子更新布爾類型。
• AtomicInteger：原子更新整型。
• AtomicLong：原子更新長整型。

AtomicInteger的常用方法如下：

• AtomicInteger(int initialValue)：創建一個AtomicInteger實例，初始值由參數指定。不帶參的構造方法初始值為0。
• int addAndGet(int delta) ：以原子方式將輸入的數值與實例中的值（AtomicInteger里的value）相加，並返回結果，與getAndAdd(int delta)相區分，從字面意思即可區分，前者返回相加后結果，后者先返回再相加。
• boolean compareAndSet(int expect, int update) ：如果當前值等於預期值，則以原子方式將該值設置為輸入的值。
• int getAndIncrement()：以原子方式將當前值加1，注意：這里返回的是自增前的值。
• void lazySet(int newValue)：最終會設置成newValue，使用lazySet設置值后，可能導致其他線程在之后的一小段時間內還是可以讀到舊的值。關於該方法的更多信息可以參考並發網翻譯的一篇文章《AtomicLong.lazySet是如何工作的？》
• int getAndSet(int newValue)：以原子方式設置為newValue的值，並返回舊值。

AtomicInteger例子代碼如下：

 

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Demo
{
    // 初始值設為1
    static AtomicInteger atom = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args)
    {
        System.out.println("初始值 = " + atom);
        
        // 以原子的方式加1，注意是先返回原數值再加1
        System.out.println("調用getAndIncrement()返回值 = " + atom.getAndIncrement());
        System.out.println("調用getAndIncrement()后初始值變為 = " + atom);

        // 以原子的方式與指定數值相加，注意是先加再返回相加后的值
        System.out.println("調用addAndGet()返回值 = " + atom.addAndGet(10));
        System.out.println("調用addAndGet()后初始值變為 = " + atom);

        // 以原子的方式將當前值設為指定數值，注意是先返回原值再設為指定值
        System.out.println("調用getAndSet()返回值 = " + atom.getAndSet(-5));
        System.out.println("調用getAndSet()后初始值變為 = " + atom);

        // 如果當前值等於預期值（第一個參數），則以原子的方式將當前值設置為指定值，並返回true，否則返回false
        System.out.println("調用compareAndSet()返回值 = " + atom.compareAndSet(-5, 100));
        System.out.println("調用compareAndSet()后初始值變為 = " + atom);
    }
}

 

結果如下：

初始值 = 1
調用getAndIncrement()返回值 = 1
調用getAndIncrement()后初始值變為 = 2
調用addAndGet()返回值 = 12
調用addAndGet()后初始值變為 = 12
調用getAndSet()返回值 = 12
調用getAndSet()后初始值變為 = -5
調用compareAndSet()返回值 = true
調用compareAndSet()后初始值變為 = 100

 

那 AtomicInteger 怎么實現院子操作的呢，以 getAndIncrement() 為例，我們看看源碼是怎樣實現這個方法的

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        // 獲取AtomicInteger當前對應的long值
        int current = get();
        // 將current加1
        int next = current + 1;
        // 通過CAS函數，更新current的值
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

getAndIncrement()首先會根據get()獲取AtomicInteger對應的int值。該值是volatile類型的變量，當一個共享變量被volatile修飾時，它會保證修改的值會立即被更新到主存，當有其他線程需要讀取時發現此時值改變了，它會去內存中讀取新值。而普通的共享變量不能保證可見性，因為普通共享變量被修改之后，什么時候被寫入主存是不確定的，當其他線程去讀取時，此時內存中可能還是原來的舊值，因此無法保證可見性。

get()的源碼如下：

// value是AtomicInteger對應的int值
private volatile int value;
// 返回AtomicInteger對應的int值
public final int get() {
    return value;
}

getAndIncrement()接着將current加1,然后通過CAS函數（樂觀鎖），將新的值賦值給value。compareAndSet()的源碼如下：

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

調用 Unsafe 來實現

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

這段代碼寫得很巧妙：

1. compareAndSet 方法首先判斷當前內存值this是否等於預期值current；

2. 如果當前值 = current，說明 AtomicInteger 類的值沒有被其他線程修改，則將內存值更新為next

3. 如果當前值 != current，說明 AtomicInteger 類的值已經被其他類修改了，這時會再次進入循環重新獲取更新后值並比較

valueOffset表示的是變量值在內存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據內存偏移地址獲取數據的原值的。

 

 

Atomic包提供了三種基本類型的原子更新，但是Java的基本類型里還有char，float和double等。那么問題來了，如何原子的更新其他的基本類型呢？Atomic包里的類基本都是使用Unsafe實現的，它提供了硬件級別的原子操作。讓我們一起看下Unsafe的源碼，發現Unsafe只提供了三種CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源碼，發現其是先把Boolean轉換成整型，再使用compareAndSwapInt進行CAS，所以原子更新double也可以用類似的思路來實現。

 

參考資料：

Java多線程系列--“JUC原子類”02之 AtomicLong原子類

Java中的Atomic包使用指南

java中的原子操作類AtomicInteger及其實現原理