AtomicInteger源码分析—基于CAS的乐观锁实现
参考：
http://www.importnew.com/22078.html
https://www.cnblogs.com/mantu/p/5796450.html
http://hustpawpaw.blog.163.com/blog/static/184228324201210811243127/
1. 悲观锁与乐观锁
我们都知道，cpu是时分复用的，也就是把cpu的时间片，分配给不同的thread/process轮流执行，时间片与时间片之间，需要进行cpu切换，也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器，缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时，加入到阻塞队列，在一定的时间或条件下，在通过notify()，notifyAll()唤醒回来。在某个资源不可用的时候，就将cpu让出，把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据）可用了，那么就将线程唤醒，让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，它假设最坏的情况，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。
但是，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，所以悲观锁有很大的缺点。举个例子，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。
所以就有了乐观锁的概念，他的核心思路就是，每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。在上面的例子中，某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环，如果失败就重试，直到成功为止。所以，当数据争用不严重时，乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。
2. java中CAS的实现
CAS就是Compare and Swap的意思，比较并操作。很多的cpu直接支持CAS指令。CAS是项乐观锁技术，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。
JDK1.5中引入了底层的支持，在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS的操作，并且JVM把它们编译为底层硬件提供的最有效的方法，在运行CAS的平台上，运行时把它们编译为相应的机器指令。在Java.util.concurrent.atomic包下面的所有的原子变量类型中，比如AtomicInteger，都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作。
在CAS操作中，会出现ABA问题。就是如果V的值先由A变成B，再由B变成A，那么仍然认为是发生了变化，并需要重新执行算法中的步骤。有简单的解决方案：不是更新某个引用的值，而是更新两个值，包括一个引用和一个版本号，即使这个值由A变为B，然后为变为A，版本号也是不同的。AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference支持在两个变量上执行原子的条件更新。AtomicStampedReference更新一个“对象-引用”二元组，通过在引用上加上“版本号”，从而避免ABA问题，AtomicMarkableReference将更新一个“对象引用-布尔值”的二元组。
3. 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incrementAndGet() 方法，下面是具体的代码。
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public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
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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：
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public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
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compareAndSet()方法调用的compareAndSwapInt()方法的声明如下，是一个native方法。
publicfinal 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。
下面以具体的例子分析下AtomicInteger的实现：
计数器（Counter），采用Java里比较方便的锁机制synchronized关键字，初步的代码如下：
1 public class Counter {
2 private int value;
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4 public synchronized int getValue() {
5 return value;
6 }
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8 public synchronized int increment() {
9 return ++value;
10 }
11
12 public synchronized int decrement() {
13 return --value;
14 }
15 }
synchronized关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁，这也就我们前面所说的悲观锁。这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争（事实上CPU的主要工作并非这些），同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重，因此，对于这种需求我们期待一种更合适、更高效的线程安全机制。
package TestAtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
class MyThread implements Runnable {
// static int i = 0; static AtomicInteger ai=new AtomicInteger(0);
public void run() {
for (int m = 0; m < 1000000; m++) {
ai.getAndIncrement();
}
}
};public class TestAtomicInteger {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
MyThread mt = new MyThread();
Thread t1 = new Thread(mt);
Thread t2 = new Thread(mt);
t1.start();
t2.start();
Thread.sleep(500);
System.out.println(MyThread.ai.get());
}
} |
可以发现结果都是2000000，也就是说AtomicInteger是线程安全的。
下面我们就以模拟CAS机制来实现Counter的例子：
CAS类：
1 public class SimpleCAS {
2 private volatile int value;
3 public synchronized int getValue(){
4 return value;
5 }
6 public synchronized boolean comperaAndSwap(int expectedValue,int newValue){
7 int oldValue = value;
8 if(oldValue == expectedValue){
9 value = newValue;
10 return true;
11 }else{
12 return false;
13 }
14 }
15 }
CASCounter类：
1 public class CASCounter {
2 private SimpleCAS cas;
3 public int getValue(){
4 return cas.getValue();
5 }
6 public int increment(){
7 int olevalue = cas.getValue();
8 for (; ;) {
9 if(cas.comperaAndSwap(olevalue, olevalue+1)){
10 return cas.getValue();
11 }
12 }
13
14 }
15 }
上面的模拟不是CSA的真正实现，其实我们在语言层面是没有做任何同步的操作的，大家也可以看到源码没有任何锁加在上面，可它为什么是线程安全的呢？这就是Atomic包下这些类的奥秘：语言层面不做处理，我们将其交给硬件—CPU和内存，利用CPU的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上volatile变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。所以说，CAS并不是无阻塞，只是阻塞并非在语言、线程方面，而是在硬件层面，所以无疑这样的操作会更快更高效！
总结一下，AtomicInteger基于冲突检测的乐观并发策略。 可以想象，这种乐观在线程数目非常多的情况下，失败的概率会指数型增加。
AtomicInteger等对象出现的目的主要是为了解决在多线程环境下变量计数的问题，例如常用的i++,i--操作，它们不是线程安全的，AtomicInteger引入后，就不必在进行i++和i--操作时，进行加锁操作，在我们日常工作中，有很多业务场景需要在多线程环境下进行变量的计数：订单数统计、访问量统计、累计相应时长统计等。
demo 源码：https://github.com/mantuliu/javaAdvance
下面我们先分析一下AtomicInteger的源代码。通过源码分析我们知道，AtomicInteger的核心就是一个CAS算法(CompareAndSwap)，比较并交换算法，此算法是由unsafe的底层代码实现，它是一个原子的操作，原理就是：如果内存中的实际值与update值相同，则将实际值更新为expect值，反之则返回失败，由上层系统循环获取实际值后，再次调用此CAS算法：
/*
* ORACLE PROPRIETARY/CONFIDENTIAL. Use is subject to license terms.
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*
*/ /*
*
*
*
*
*
* Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166
* Expert Group and released to the public domain, as explained at
* http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
*/ package java.util.concurrent.atomic;
import sun.misc.Unsafe; /**
* An {@code int} value that may be updated atomically. See the
* {@link java.util.concurrent.atomic} package specification for
* description of the properties of atomic variables. An
* {@code AtomicInteger} is used in applications such as atomically
* incremented counters, and cannot be used as a replacement for an
* {@link java.lang.Integer}. However, this class does extend
* {@code Number} to allow uniform access by tools and utilities that
* deal with numerically-based classes.
*
* @since 1.5
* @author Doug Lea
*/
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L; // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;//value值的偏移地址 static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
} private volatile int value;//实际的值 /**
* Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
*
* @param initialValue the initial value
*/
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;//初始化
} /**
* Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.
*/
public AtomicInteger() {
} /**
* Gets the current value.
*
* @return the current value
*/
public final int get() {
return value;//返回value值
} /**
* Sets to the given value.
*
* @param newValue the new value
*/
public final void set(int newValue) {
value = newValue;//设置新值,因为没有判断oldvalue，所以此操作是非线程安全的
} /**
* Eventually sets to the given value.
*
* @param newValue the new value
* @since 1.6
*/
public final void lazySet(int newValue) {
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);//与set操作效果一样，只是采用的是unsafe对象中通过偏移地址来设置值的方式
} /**
* Atomically sets to the given value and returns the old value.
*
* @param newValue the new value
* @return the previous value
*/
public final int getAndSet(int newValue) {//原子操作，设置新值，返回老值
for (;;) {
int current = get();
if (compareAndSet(current, newValue))//通过CAS算法，比较current的值和实际值是否一致，如果一致则设置为newValue
return current;
}
} /**
* 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);
} /**
* Atomically sets the value to the given updated value
* if the current value {@code ==} the expected value.
*
* <p>May <a href="package-summary.html#Spurious">fail spuriously</a>
* and does not provide ordering guarantees, so is only rarely an
* appropriate alternative to {@code compareAndSet}.
*
* @param expect the expected value
* @param update the new value
* @return true if successful.
*/
public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
} /**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndIncrement() {//i++操作
for (;;) {
int current = get();//获取当前值
int next = current + 1;//当前值+1
if (compareAndSet(current, next))//比较current值和实际的值是否一致，如不一致，则继续循环
return current;
}
} /**
* Atomically decrements by one the current value.
*
* @return the previous value
*/
public final int getAndDecrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
} /**
* Atomically adds the given value to the current value.
*
* @param delta the value to add
* @return the previous value
*/
public final int getAndAdd(int delta) {//例如：当我们统计接口的响应时间时，可以利用此方法
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
} /**
* 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;
}
} /**
* Atomically decrements by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int decrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
} /**
* Atomically adds the given value to the current value.
*
* @param delta the value to add
* @return the updated value
*/
public final int addAndGet(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
} /**
* Returns the String representation of the current value.
* @return the String representation of the current value.
*/
public String toString() {
return Integer.toString(get());
} public int intValue() {
return get();
} public long longValue() {
return (long)get();
} public float floatValue() {
return (float)get();
} public double doubleValue() {
return (double)get();
} }
下面，我们为四种情况(同步关键字、ReentrantLock公平锁和非公平锁、AtomicInteger)做一下性能对比分析，当我们看到上面的代码分析后，我们判断AtomicInteger应该比加锁的方式快，但是实验的结果表明，AtomicInteger只比ReentrantLock加公平锁的情况快几十倍，比其它两种方式略慢一些。
四个demo都用100个线程来循环模拟下单60秒钟：
demo Lesson8SyncIntPerform:在使用同步关键字加锁的情况下100个线程循环下单数为：677337556
demo Lesson8SyncIntPerform:在使用同步关键字加锁的情况下100个线程循环下单数为：755994691
demo Lesson8AtomicIntPerform:在使用AtomicInteger的情况下100个线程循环下单数为：562359607
demo Lesson8AtomicIntPerform:在使用AtomicInteger的情况下100个线程循环下单数为：575367967
demo Lesson8LockIntPerform:在使用ReentrantLock加非公平锁的情况下100个线程循环下单数为：857239882
demo Lesson8LockIntPerform:在使用ReentrantLock加非公平锁的情况下100个线程循环下单数为：860364303
demo Lesson8LockFairIntPerform:在使用ReentrantLock加公平锁的情况下100个线程循环下单数为：19153640
demo Lesson8LockFairIntPerform:在使用ReentrantLock加公平锁的情况下100个线程循环下单数为：19076567
上面的实验结果表明，在jdk1.6及后续的版本中(本实验的jdk版本是1.7，操作系统为windows操作系统)，已经对于synchronized关键字的性能优化了很多，已经和ReentrantLock的性能差不多，加锁的效果比不加锁时使用AtomicInteger性能效果还要略好一些，但是公平锁的性能明显降低，其它三种情况下的性能是公平锁性能的几十倍以上，这和公平锁每次试图占有锁时，都必须先要进等待队列，按照FIFO的顺序去获取锁，因此在我们的实验情景下，使用公平锁的线程进行了频繁切换，而频繁切换线程，性能必然会下降的厉害，这也告诫了我们在实际的开发过程中，在需要使用公平锁的情景下，务必要考虑线程的切换频率。
AtomicStampedReference解决ABA问题
在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题：
线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B，在此之前，线程2将变量的值由A替换为C，又由C替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了，尽管CAS成功，但可能存在潜藏的问题，例如下面的例子：
现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A，这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：
head.compareAndSet(A,B);
在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再pushD、C、A，此时堆栈结构如下图，而对象B此时处于游离状态：
此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B，但实际上B.next为null，所以此时的情况变为：
其中堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，平白无故就把C、D丢掉了。
以上就是由于ABA问题带来的隐患，各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记，避免并发操作带来的问题，在Java中，AtomicStampedReference<E>也实现了这个作用，它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题，例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新，AtomicInteger会成功执行CAS操作，而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败：
public class Test {
private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
private static AtomicStampedReference atomicStampedRef = new AtomicStampedReference(100, 0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
atomicInt.compareAndSet(100, 101);
atomicInt.compareAndSet(101, 100);
}
});
Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
System.out.println(c3); // true
}
});
intT1.start();
intT2.start();
intT1.join();
intT2.join();
Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run()
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
} catch (InterruptedException e) {
}
atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp() + 1);
}
});
Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
try {
TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
} catch (InterruptedException e) {
}
boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1);
System.out.println(c3); // false
}
});
refT1.start();
refT2.start();
}
}