Java源碼系列 -- AtomicInteger

一、前言

AtomicInteger基于CAS(Compare and Swap,比較并修改)的操作,主要實現樂觀鎖的思想。

對于傳統的悲觀鎖來說,會假設線程并發非常重,每次修改數據,一定先100%確保自己進入安全區,再安心修改目標值。進而出現線程在競爭鎖的過程中消耗大量時間在等待鎖、加鎖、解鎖等操作上。(注:鎖還可能涉及鎖自旋、公平鎖等知識點,而非簡單暴力競爭)

相比之下的樂觀鎖,會假設只有自己一個線程修改目標值,先比較修改前的值是不是和自己的預期的一致,一致就修改并返回,不一致就放棄這次修改(CAS),并發起下一次的嘗試,不會把時間用在加鎖和解鎖上。

雖然樂觀鎖看起來比悲觀鎖好很多,不過樂觀鎖主要用在單個值(Int,Float,Double)的并發修改上,而不是悲觀鎖對一個對象甚至是一個代碼塊的操作。

其次,若樂觀鎖對目標值修改操作次數遠多于讀取操作,那么CAS實際也會大量失敗抵消CAS的優點,并演變成成多次重試失效。

說到CAS,需要了解的是這個能力并非由操作系統或JVM提供,而是CPU原生支持的。如果一個CPU不能保證CAS能力,那這個CPU的完全沒有數據修改安全可言。

說回AtomicInteger,這類不能看見底層的運作,因為主要調用了Unsafe實現CAS。以后會寫關于Unsafe的文章,敬請期待。

二、類簽名

由于集成了Number,所以任何能接受Number類型的形參都能使用AtomicInteger

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

三、靜態初始化

在靜態初始化塊里面獲取value的內存地址,這時的value內存地址已經開辟,但是沒有被實例初始化。而靜態初始化塊是類初始化最早調用的,靜態初始化安全由JVM來保證。

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

四、數據成員

volatile保證value值的有序性和可見性,不保證原子性。原子性一般由synchronized或Lock來提供支持。

private volatile int value;

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

五、構造方法

// 用一個給定的整形值初始化一個AtomicInteger實例
public AtomicInteger(int initialValue) {
    value = initialValue;
}

// 初始化一個值為0的AtomicInteger實例
public AtomicInteger() {
}

六、成員方法

// 獲取當前的整形值,線程不安全
public final int get() {
    return value;
}

// 設置新的整形值,線程不安全
public final void set(int newValue) {
    value = newValue;
}

// 最終一定會把newValue設置成功
public final void lazySet(int newValue) {
    unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
}

// 設置新的整形值,把返回上一個保存的值
public final int getAndSet(int newValue) {
    return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}

如果待修改的值和期待值相同,那就把待修改的值設置為update的值
偽代碼: value == expect ? value = update; return isModified;

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

/**
 * Atomically sets the value to the given updated value
 * if the current value {@code ==} the expected value.
 *
 * <p><a href="package-summary.html#weakCompareAndSet">May fail
 * spuriously and does not provide ordering guarantees</a>, so is
 * only rarely an appropriate alternative to {@code compareAndSet}.
 *
 * @param expect the expected value
 * @param update the new value
 * @return {@code true} if successful
 */
public final boolean weakCompareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// 先返回上一個值,然后再在原基礎上自增1
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// 先返回上一個值,然后再在原基礎上自減1
public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

// 返回上一個值,并在原基礎上加上指定值
// 偽代碼: oldValue = value; value += delta; return oldValue; 
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

// 先自增,然后返回自增后的值
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}

// 先自減,然后返回自減后的值
public final int decrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
}

// 先增加delta的值,然后返回增加后的值
public final int addAndGet(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}

七、Java8 Lambda支持

IntUnaryOperator -> This is a functional interface and can therefore be used as the assignment target for a lambda expression or method reference.

/**
 * Atomically updates the current value with the results of
 * applying the given function, returning the previous value. The
 * function should be side-effect-free, since it may be re-applied
 * when attempted updates fail due to contention among threads.
 *
 * @param updateFunction a side-effect-free function
 * @return the previous value
 * @since 1.8
 */
public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) {
    int prev, next;
    do {
        prev = get();
        next = updateFunction.applyAsInt(prev);
    } while (!compareAndSet(prev, next));
    return prev;
}

/**
 * Atomically updates the current value with the results of
 * applying the given function, returning the updated value. The
 * function should be side-effect-free, since it may be re-applied
 * when attempted updates fail due to contention among threads.
 *
 * @param updateFunction a side-effect-free function
 * @return the updated value
 * @since 1.8
 */
public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
    int prev, next;
    do {
        prev = get();
        next = updateFunction.applyAsInt(prev);
    } while (!compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

/**
 * Atomically updates the current value with the results of
 * applying the given function to the current and given values,
 * returning the previous value. The function should be
 * side-effect-free, since it may be re-applied when attempted
 * updates fail due to contention among threads.  The function
 * is applied with the current value as its first argument,
 * and the given update as the second argument.
 *
 * @param x the update value
 * @param accumulatorFunction a side-effect-free function of two arguments
 * @return the previous value
 * @since 1.8
 */
public final int getAndAccumulate(int x,
                                  IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
    int prev, next;
    do {
        prev = get();
        next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
    } while (!compareAndSet(prev, next));
    return prev;
}

/**
 * Atomically updates the current value with the results of
 * applying the given function to the current and given values,
 * returning the updated value. The function should be
 * side-effect-free, since it may be re-applied when attempted
 * updates fail due to contention among threads.  The function
 * is applied with the current value as its first argument,
 * and the given update as the second argument.
 *
 * @param x the update value
 * @param accumulatorFunction a side-effect-free function of two arguments
 * @return the updated value
 * @since 1.8
 */
public final int accumulateAndGet(int x,
                                  IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
    int prev, next;
    do {
        prev = get();
        next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
    } while (!compareAndSet(prev, next));
    return next;
}

八、參考鏈接

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/function/IntUnaryOperator.html

https://docs.oracle.com/javase/8/docs/api/java/util/function/IntBinaryOperator.html

https://en.wikipedia.org/wiki/Compare-and-swap

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