原子类实现原理

 在JDK中提供了一些原子操作类： java.util.concurrent.atomic原子操作。

      对于原子类变量的操作是不会存在并发性问题的，不需要使用synchronized关键字额外的实现线程同步。它底层自身的实现即可保证变量的可见性以及操作的原子性。一般我们可以使用AtomicInteger，AtomicLong等实现计数器等功能，利用AtomicBoolean实现标志位等功能。

 

 

实现线程安全的常见两种机制：

• 加锁机制（常见synchronized和ReentrantLock等），特点：阻塞
• 无锁机制（常见无锁算法有：CAS算法），特点：非阻塞

原子量底层的实现均是采用CAS非阻塞算法实现的，是无锁（lock-free）算法中最有名的一种（无锁算法：不使用锁机制来实现线程安全的算法，采用锁机制都会存在线程为请求锁而产生阻塞的情况）,CAS不会阻塞线程从而不会带来CPU上下文切换的性能开销。

CAS非阻塞算法的思想：

     CAS的全称是Compare-And-Swap(意思是比较后交换)：指当两者(这个两者是指线程栈内存中备份的共享变量值和主内存中共享变量值)进行比较时，如果值相等，则证明共享数据没有被其他线程修改过，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明主内存中的共享数据被其它线程修改过，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作（可见CAS算法的关键就是这个循环体结构，退出循环的条件是主内存中的共享数据没有被其他线程修改过，如果被修改过，则该线程会重复执行此操作，直到满足退出循环体的条件为止，这也是为什么线程不会阻塞的原因）。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

 

下面以AtomicInteger类的具体实现为例，进一步还原CAS算法使用的真相：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {

    private static final longserialVersionUID = 6214790243416807050L;

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates

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

    private static final longvalueOffset;//value字段相对AtomicInteger对象内存地址的偏移量

 

    static {

      try {

        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset

            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));

      } catch (Exception ex) { thrownew Error(ex); }

    }

 

private volatile int value;//该AtomicInteger原子量对应的值value(共享变量)

 

//该方法的作用value++的线程安全版，返回自增长以前的值

    public final int getAndIncrement() {

        for (;;) {//CAS算法中循环体结构

            int current = get();//获取并备份主内存共享变量值

            int next = current + 1;

            if (compareAndSet(current, next))//主内存变量更新成功，则退出循环体，否则重复执行此自增操作，直到更新成功为止。

                return current;//返回自增长以前的值

        }

}

//拿expect和主内存中的值进行比较，如果相等，说明主内存中的值没有发生过修改

//则将新值写入到主内存，return true。否则直接return false;

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {

    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

}