JUC Atomic原子类深入

什么是Atomic

Atomic是原子性的意思，可以自动更新，用于原子增量计数器之类的应用程序。可以解决多线程环境递增的异议性问题。

怎么使用Atomic

AtomicIntegerDemo

public class Atomic {
    AtomicInteger integer = new AtomicInteger(0);

    @Test
    public void testAtomicInteger() throws InterruptedException {
        ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(10, 50, 20, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(10));
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            executor.execute(this::add);
            TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(1);
        }
        executor.shutdown();
    }

    public void add() {
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            System.out.println(integer.incrementAndGet());
        }
    }
}

运行结果

AtomicInteger Demo运行结果

为什么要使用Atomic类

首先看一下不使用Atomic，以上Demo的运行结果会有什么问题

不使用AtomicDemo

public class IntDemo {
    int a = 1;

    @Test
    public void testInt() {
        final int[] int1 = {0};
        ExecutorService executor = new ThreadPoolExecutor(10, 50, 20, TimeUnit.SECONDS, new LinkedBlockingQueue<>(10));
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            executor.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 10; j++) {
                    int1[0]++;
                    System.out.println(int1[0]);
                }
            });
        }
        executor.shutdown();
    }
}

运行结果

int Demo运行结果

从运行结果来看，最终的结果不为100，可见在多线程的环境下，int自增操作并不是原子性的，这样就会导致一些问题。

为什么会出现这个问题？

1. 首先先了解一下，底层CPU、缓存已经主存之间的关系（intel）

CPU 缓存 主存

• 主存(Main Memory)：允许application，Java代码将会编译成字节码，然后由操作系统翻译成机器码，最后加载到内存中。
• L3 unified cache：L3级缓存，这一块的数据的是被封装的CPU的所有核心共享的，也是三级缓存中容量最大。
• L2 unified cache：L2级缓存，这一块的数据是被单个核心所独享的。
• L1 unified cache：L2级缓存，这一块的数据是被单个核心所独享的。
• ALU：CPU计算单元，负责数理逻辑计算。
• Register：寄存器单元，其中包含若干的寄存器，有PC（程序计数器）、IR（指令寄存器）、DR（数据寄存器）等。

以上程序的共享变量i，没有进行锁、同步等数据一致性处理。变量i会被从内存读取到CPU封装的L3缓存，如果在多线程环境下，会存在两个操作变量i的线程同时跑在不同的核心上。

假设线程A->Core1，线程B->Core2，线程A从L3中读取到变量i为0，线程B从L3中读取到变量i也为0，线程A对变量i++得到i=1，同样线程B也对变量i++得到i=1，回写到内存时i=1，但是实际上已经进行了两次的++，故结果不正确。

特殊：四核八线程，对于一个核心，为了提高ALU的计算效率，会存在一个ALU单元对应两组Register，也就是所谓的超线程。此处的数据同步问题，博主还在学习。【如果有大佬了解，可以一起研究研究】

2. 再来了解一下，JMM(Java Memory Model)

JMM模型

1. 线程A从主存中将变量读取到本地内存，仅仅是读取，后续还要进行加载。
2. 将读取到的变量加载到本地工作内存，此时变量是主存中变量的副本。
3. 将线程本地变量读取到执行引擎进行计算。
4. 将第3步的计算结果刷回到线程本地工作内存中。
5. 将本地工作内存写入到主存中，仅仅是写操作，后续还要进行存储。
6. 将线程本地计算结果写回主存中。
7. 线程B和线程B可以同时进行以上6步。

从以上的JMM模型的执行流程来看，当多线程的环境下，线程A和线程B可以同时读取主存中的变量，然后复制到本地工作内存中，接着计算，最后在将计算结果写回到主存中会存在数据不一致性。

Atomic原子类是如何保证并发环境数据一致性的？

上源码

在前文中，对于AtomicInteger递增是调用的incrementAndGet

incrementAndGet源码

从源码中可见，调用的是unsafe.getAndAddInt，让我们来看看这个方法的实现。

unsafe.getAndAddInt源码

从源码中可见，先是以getIntVolatile的方法(native方法)获取变量的值，然后调用compareAndSwapInt的方法(著名的CAS)进行数据的更改操作。

CAS原理(类似于一种乐观锁的概念)

CAS(compare and swap)，比较并交换。

CAS原理

1. 在并发环境下
2. 读取：
   • 每个修改共享变量的线程都可以读取并进行修改
3. 写入：
   • 如果此时的数据等于该线程一开始读取到的值，则将计算结果写入到主存中，
   • 否则就重新读取最新值，然后进行重新计算，反复如此操作，直到写入成功。
4. 针对于其中的ABA问题，可以使用一个version来解决，version可以是uuid或者时间戳等，具体可以取决于业务场景。

深入源码（以AtomicInteger为例）

类关系图

类关系图

如图，可知AtomicInteger继承了Number抽象类，此抽象类中定义了一些关于数字之间的一些基础操作，具体方法如下图。

Number抽象类源码

成员变量

成员变量

构造方法&set&get

构造方法&set&get

• 构造方法有两个：一个无参构造器、一个有参构造器
• get：获取value
• set：设置value
• lazySet：异步设置value

加/减/设值操作

加/减/设值操作
加/减/设值操作

• getAndSet(int newValue)：将变量值设置成newValue，并返回旧值。
• compareAndSet(int expect, int update)：比较并设置值，只有当原有的value=expect时，才会将变量值设置成update，返回操作结果。
• weakCompareAndSet：与compareAndSet(int expect, int update)类似，但是不强制原子性。
• getAndIncrement()：原子递增，返回旧值。
• getAndDecrement()：原子递减，返回旧值。
• getAndAdd(int delta)：原子增加delta，返回旧值。
• incrementAndGet()：原子递增，返回新值。
• decrementAndGet()：原子递减，返回新值。
• addAndGet(int delta)：原子增加delta，返回新值。

更新操作

getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction)

getAndUpdate源码

此方法会先获取之前的值，然后将updateFunction函数作用于之前的读取出来的值，最后将变量设置成计算得到的结果。此方法返回操作之前的旧值。

updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction)

updateAndGet源码

此方法会先获取之前的值，然后将updateFunction函数作用于之前的读取出来的值，最后将变量设置成计算得到的结果。此方法返回操作之后的新值。

累加操作

getAndAccumulate(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)

getAndAccumulate源码

此方法会先获取之前的值，然后将accumulatorFunction函数作用于之前的读取出来的值（其实就是将之前的旧值+x），最后将变量设置成计算得到的结果。此方法返回操作之前的旧值。

accumulateAndGet(int x, IntBinaryOperator accumulatorFunction)

getAndAccumulate源码

此方法会先获取之前的值，然后将accumulatorFunction函数作用于之前的读取出来的值（其实就是将之前的旧值+x），最后将变量设置成计算得到的结果。此方法返回操作之后的新值。

总结：对于get在方法名称前面的话，那么会返回操作之前的旧值。如果子啊方法名称后面，那么会返回操作之后的新值

下次 浅谈一下 JMM模型和MESI

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