面试必备：Java JUC AtomicLong 实现解析

时间：2022-10-17 18:00:33



基于OpenJDK 12


本文的目的是为后续文章解析LongAdder做一个引子，以便两者对比。

Atomic Package解析参考（比如lazySet原理解析）：

​​[译]Java Concurrent Atomic Package详解​​

AtomicLong的常用方法如下：

  • long addAndGet(long delta)：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicLong里的value）相加，并返回结果。
  • compareAndSet(long expectedValue, long newValue)：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。
  • long getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
  • void lazySet(long newValue)：最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
  • long getAndSet(long newValue)：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

AtomicLong示例代码如下：

public class AtomicLongTest {    
static AtomicLong ai = new AtomicLong(1);    
public static void main(String[] args) {    
System.out.println(ai.getAndIncrement());    
System.out.println(ai.get());    
    }    
}

输出结果如下:

1  
2

那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢？让我们一起分析其实现原理，getAndIncrement的源码如下：

public final long getAndIncrement() {   
return U.getAndAddLong(this, VALUE, 1L);   
}   
@HotSpotIntrinsicCandidate   
public final long getAndAddLong(Object o, long offset, long delta) {   
long v;   
do {   
v = getLongVolatile(o, offset);   
    } while (!weakCompareAndSetLong(o, offset, v, v + delta));   
return v;   
}   
/** Volatile version of {@link #getLong(Object, long)}  */   
@HotSpotIntrinsicCandidate   
public native long getLongVolatile(Object o, long offset);   


@HotSpotIntrinsicCandidate   
public final boolean weakCompareAndSetLong(Object o, long offset,   
long expected,   
ong x) {   
return compareAndSetLong(o, offset, expected, x);   
}   
/**   
 * Atomically updates Java variable to {@code x} if it is currently  
 * holding {@code expected}.  
 * 
 * <p>This operation has memory semantics of a {@code volatile} read 
 * and write.  Corresponds to C11 atomic_compare_exchange_strong. 
 * 
 * @return {@code true} if successful  
 */   
@HotSpotIntrinsicCandidate   
public final native boolean compareAndSetLong(Object o, long offset,   
long expected,   
long x);


@HotSpotIntrinsicCandidate JDK的源码中，被@HotSpotIntrinsicCandidate标注的方法，在HotSpot中都有一套高效的实现，该高效实现基于CPU指令，运行时，HotSpot维护的高效实现会替代JDK的源码实现，从而获得更高的效率。

源码getAndAddLong(Object o, long offset, long delta)中do while循环体是实现的关键所在，其逻辑是：

  • 第一步先取得AtomicLong里存储的数值，
  • 第二步对AtomicLong的当前数值进行加1操作，
  • 第三步调用weakCompareAndSetLong方法来进行原子更新操作，该方法先检查当前数值是否等于v，等于意味着AtomicLong的值没有被其他线程修改过，则将weakCompareAndSetLong的当前数值更新成v+delta的值，如果不等于v，weakCompareAndSetLong方法会返回false，程序会进入do while循环重新进行weakCompareAndSetLong操作。

这里隐含了一个问题，当对于共享变量（假设变量名字是a）的竞争非常激烈的时候，在当前线程读取a、改变a之间，a的值会被别的线程改变，从而导致当前线程一直重试（自旋），一直占用CPU。

这就引出另一个问题，对于锁抢占很激烈的时候，串行是最好的解决办法。比如使用synchronized。


java.util.concurrent.atomic中的原子操作基本是基于Unsafe或者VarHandle实现的。

源代码：

​​https://github.com/jiankunking/openjdk12/blob/master/src/java.base/share/classes/java/util/concurrent/atomic/AtomicLong.java​​


本文参考 《Java并发编程的艺术》 作者：方腾飞　魏鹏　程晓明

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衣舞晨风

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