AtomicInteger原理

作者: zhangxuanchen | 来源:发表于2017-02-05 23:09 被阅读226次

    先说些题外话,昨天有人跟我说,好久没看你写东西了,我想了下。是啊,过了个节不能把今年的计划忘了,感谢你提醒我。我会继续提供优质文章大家一起成长共同进步吧。

    进入正题:
    AtomicInteger说到这个类相信大家都使用过,但是内部原理相信很多人都没有深究过。

    一.先说两个概念 悲观锁,乐观锁

    悲观锁:java里面的synchronized就是悲观锁,它是一种独占锁,先假设了一种最坏的情况“资源是被占用的”并且在占用期间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。

    乐观锁: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,假如监测到冲突就失败重试,直到成功为止。

    悲观锁的缺点:
    由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销,假设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。所以当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。

    二. 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。在 java.util.concurrent.atomic 包下面的所有的原子变量类型都实现了这项技术。

    三.ABA问题
    所谓ABA问题就是指在更新前的值是A,但在操作过程中被其他线程更新为B,又更新为 A,这时当前线程认为是可以执行的,其实是发生了不一致现象,如果这种不一致对程序有影响(真正有这种影响的场景很少,除非是在变量操作过程中以此变量为标识位做一些其他的事,比如初始化配置),在这种情况下就要替修改加上版本号来做唯一的标示,采用初始值+版本号的联合比较法来判断,以此来避免ABA问题。

    规避ABA问题可以使用AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference这两个类。它们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”规避。AtomicMarkableReference则更新一个“对象引用-布尔值”的二元组。

    四:源码深入

    private volatile int value;
    
    public final int get() {    
        return value;    
    }  
    
    public final int incrementAndGet() {
            for (;;) {
                int current = get();
                int next = current + 1;
                if (compareAndSet(current, next))
                    return next;
            }
        }
    
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) { 
                        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update); } 
    
     public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
    

    通过声明一个volatile value(内存锁定,同一时刻只有一个线程可以修改内存值)类型的变量,再加上unsafe.compareAndSwapInt的方法,来保证实现线程同步的。
    compareAndSet 传入的是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。

    五.融会贯通
    CAS这种技术固然很好,但是在复杂的情况下不推荐使用,会带来ABA问题,也可能会因为大量线程的反复重试引起不必要的资源消耗,这样就有点得不偿失了。CAS这项技术适合在一些较为简单的,线程更新不频繁的场景中使用。在简单场景中,作为synchronized的替代品来保护某个变量的原子操作,是个不错的选择。

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