• 线程安全真的是线程的安全吗?
  • 什么是 Atomic?
  • 实现一个计数器
  • AtomicInteger 源码分析
  • AtomicLong 和 LongAdder 谁更牛?
  • 总结

当我们谈论『线程安全』的时候,肯定都会想到 Atomic 类。不错,Atomic 相关类都是线程安全的,在讲 Atomic 类之前我想再聊聊『线程安全』这个概念。

线程安全真的是线程的安全吗?

初看『线程安全』这几个字,很容易望文生义,这不就是线程的安全吗?其实不是,线程本身没有好坏,没有『安全的线程』和『不安全的线程』之分,俗话说:人之初性本善,线程天生也是纯洁善良的,真正让线程变坏是因为访问的变量的原因,变量对于操作系统来说其实就是内存块,所以绕了这么一大圈,线程安全称为『内存的安全』可能更为贴切。

简而言之,线程访问的内存决定了这个线程是否是安全的。

变量大致可以分为局部变量共享变量,局部变量对于 JVM 来说是栈空间,大家都背过八股文,栈是线程私有的是非共享的,那自然也是内存安全的;共享变量对于 JVM 来说一般是存在于堆上,堆上的东西是所有线程共享的,如果不加任何限制自然是不安全的。

因为线程安全这个概念已经深入人心了,所以后面我们还是用线程安全来表达内存安全的含义。

那如何解决这种​​不安全​​呢?方法有很多,比如:加锁、Atomic 原子类等。

好了,咱们今天先来看看​​Atomic类​​。

什么是 Atomic?

​Java​​从​​JDK1.5​​开始提供​​java.util.concurrent.atomic​​包,这里包含了多个原子操作类。原子操作类提供了一个简单、高效、安全的方式去更新一个变量。

Atomic原子类的实现原理_android

Atomic 包下的原子操作类有很多,可以大致分为四种类型:

  • 原子操作基本类型
  • 原子操作数组类型
  • 原子操作引用类型
  • 原子操作更新属性

Atomic原子操作类在源码中都使用了​​Unsafe类​​,​​Unsafe类​​提供了硬件级别的原子操作,可以安全地直接操作内存变量。后面讲解源码时再详细介绍。

实现一个计数器

假如在业务代码中需要实现一个计数器的功能,啪地一下,很快我们就写出了以下的代码:

public class Counter {
private int count;

public void increase() {
count++;
}
}

​increase​​方法对 count 变量进行递增。

当代码提交上库进行​​code review​​时,啪地一下,很快收到了检视意见(严重级别):

如果在多线程场景下,你的计数器可能有问题。

上大一的时候老师就讲过 ​​count++​​ 是非原子性的,它实际上包含了三个操作:读数据,加一,写回数据。

再次修改代码,多线访问​​increase方法​​会有问题,那就给它加个锁吧,count变量修改了其他线程可能不能即时看到,那就给变量加个 ​​volatile​​ 吧。

吭哧吭哧,代码如下:

public class LockCounter {
private volatile int count;

public synchronized void increase() {
count++;
}
}

一顿操作猛如虎,再次提交代码后,依然收到了检视意见(建议级别):

加锁会影响效率,可以考虑使用原子操作类。

原子操作类?「黑人问号脸」,莫不是大佬知道我晚上有约会故意整我,不想合入代码吧。带着将信将疑的态度,打开百度谷歌,原来 AtomicInteger 可以轻松解决这个问题,手忙脚乱一顿复制粘贴代码搞定了,终于可以下班了。

public class AtomicCounter {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public void increase() {
count.incrementAndGet();
}
}

AtomicInteger 源码分析

调用​​AtomicInteger类​​的​​incrementAndGet方法​​不用加锁可以实现安全的递增,这个好神奇,下面带领大家分析一下源码是这么实现的,等不及了等不及了。

打开源码,可以看到定义的incrementAndGet方法:

/**
* 在当前值的基础上自动加 1
*
* @return 更新后的值
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

通过源码可以看到实际上是调用了 unsafe 的一个方法,unsafe 是什么待会再说。

我们再看看getAndAddInt方法的参数:第一个参数 this 是当前对象的引用;第二个参数valueOffset是用来记录value值在内存中的偏移地址,第三个参数是一个常量 1;

在 AtomicInteger 中定义了一个常量​​valueOffset​​和一个可变的成员变量 ​​value​​:

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

static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

private volatile int value;

​value​​ 变量保存当前对象的值,​​valueOffset​​ 是变量的内存偏移地址,也是通过调用unsafe的方法获取。

public final class Unsafe {
// ……省略其他方法

public native long objectFieldOffset(Field f);
}

这里再说说 ​​Unsafe​​ 这个类,人如其名:不安全的类。打开 Unsafe 类会看到大部分方法都标识了 ​​native​​,也就是说这些都是本地方法,本地方法强依赖于操作系统平台,一般都是采用​​C/C++​​语言编写,在调用 Unsafe 类的本地方法实际会执行这些方法,熟悉 C/C++的小伙伴可自行下载源码研究。

好了,我们再回到最开始,调用了 Unsafe 类的getAndAddInt方法:

public final class Unsafe {
// ……省略其他方法

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
int v;
do {
v = getIntVolatile(o, offset);
// 循环 CAS 操作
} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
return v;
}

// 根据内存偏移地址获取当前值
public native int getIntVolatile(Object o, long offset);

// CAS 操作
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
}

通过getIntVolatile方法获取当前 AtomicInteger 对象的value值,这是一个本地方法。

然后调用compareAndSwapInt进行 CAS 原子操作,尝试在当前值的基础上加 1,如果 CAS 失败会循环进行重试。

因此compareAndSwapInt方法是最核心的,详细实现大家可以自行找源码看。这里我们看看方法的参数,一共有四个参数:o 是指当前对象;offset 是指当前对象值的内存偏移地址;expected是期望值;x是修改后的值;

compareAndSwapInt方法的思路是拿到对象 o 和 offset 后会再去取对象实际的值,如果当前值与之前取的期望值是一致的就认为 value 没有被修改过,直接将 value 的值更新为 x,这样就完成了一次 CAS 操作,CAS 操作是通过操作系统保证原子性的。

如果当前值与期望值不一致,说明 value 值被修改过,那么就会重试 CAS 操作直到成功。Atomic原子类的实现原理_编程语言_02

AtomicInteger类中还有很多其他的方法,如:

decrementAndGet()
getAndDecrement()
getAndIncrement()
accumulateAndGet()
// …… 省略

这些方法实现原理都是大同小异,希望大家可以举一反三理解其他的方法。

另外还有一些其他的类,如:​​AtomicLong​​,​​AtomicReference​​,​​AtomicIntegerArray​​等,这里也不再赘述,原理都是大同小异。

AtomicLong 和 LongAdder 谁更牛?

Java 在 ​​jdk1.8版本​​ 引入了 ​​LongAdder​​ 类,与 ​​AtomicLong​​ 一样可以实现加、减、递增、递减等线程安全操作,但是在高并发竞争非常激烈的场景下 ​​LongAdder​​ 的效率更胜一筹,后续单独用一篇文章进行介绍。

总结

讲了半天,可能有的小伙伴还是比较懵,Atomic 类到底是如何实现线程安全的?

在语言层面上,Atomic 类是没有做任何同步操作的,翻看源代码方法没有任何加锁,其实最大功劳还是在 CAS 身上。CAS 利用操作系统的硬件特性实现了原子性,利用 CPU 多核能力实现了硬件层面的阻塞。

只有 CAS 的原子性保证就一定是线程安全的吗?当然不是的,通过源码发现 value 变量还用了 volatile 修饰了,保证了线程可见性。

那有些小伙伴可能要问了,那是不是加锁就没有用了,非也,虽然基于 CAS 的线程安全机制很好很高效,但是这适合一些粒度比较小的需求才有效,如果遇到非常复杂的业务逻辑还是需要加锁操作的。

大家学会了吗?

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Atomic原子类的实现原理_编程语言_03