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 i++ 不是線(xiàn)程安全的操作，因?yàn)樗皇且粋€(gè)原子性操作。

那么，如果我想要達(dá)到類(lèi)似 i++ 的這種效果，我應(yīng)該使用哪些集合或者說(shuō)工具類(lèi)呢?

在 JDK1.5 之前，為了確保在多線(xiàn)程下對(duì)某基本數(shù)據(jù)類(lèi)型或者引用數(shù)據(jù)類(lèi)型運(yùn)算的原子性，必須依賴(lài)于外部關(guān)鍵字 synchronized，但是這種情況在 JDK1.5 之后發(fā)生了改觀(guān)，當(dāng)然你依然可以使用 synchronized 來(lái)保證原子性，我們這里所說(shuō)的一種線(xiàn)程安全的方式是原子性的工具類(lèi)，比如 「AtomicInteger、AtomicBoolean」 等。這些原子類(lèi)都是線(xiàn)程安全的工具類(lèi)，他們同時(shí)也是 Lock-Free 的。下面我們就來(lái)一起認(rèn)識(shí)一下這些工具類(lèi)以及 Lock - Free 是個(gè)什么概念。

了解 AtomicInteger

AtomicInteger 是 JDK1.5 新添加的工具類(lèi)，我們首先來(lái)看一下它的繼承關(guān)系

與 int 的包裝類(lèi) Integer 一樣，都是繼承于 Number 類(lèi)的。

這個(gè) Number 類(lèi)是基本數(shù)據(jù)類(lèi)型的包裝類(lèi)，一般和數(shù)據(jù)類(lèi)型有關(guān)的對(duì)象都會(huì)繼承于 Number 類(lèi)。

它的繼承體系很簡(jiǎn)單，下面我們來(lái)看一下它的基本屬性和方法

AtomicInteger 的基本屬性

AtomicInteger 的基本屬性有三個(gè)

Unsafe 是 sun.misc 包下面的類(lèi)，AtomicInteger 主要是依賴(lài)于 sun.misc.Unsafe 提供的一些 native 方法保證操作的原子性。

Unsafe 的 objectFieldOffset 方法可以獲取成員屬性在內(nèi)存中的地址相對(duì)于對(duì)象內(nèi)存地址的偏移量。說(shuō)得簡(jiǎn)單點(diǎn)就是找到這個(gè)變量在內(nèi)存中的地址，便于后續(xù)通過(guò)內(nèi)存地址直接進(jìn)行操作，這個(gè)值就是 value這個(gè)我們后面會(huì)再細(xì)說(shuō)

value 就是 AtomicIneger 的值。

AtomicInteger 的構(gòu)造方法

繼續(xù)往下看，AtomicInteger 的構(gòu)造方法只有兩個(gè)，一個(gè)是無(wú)參數(shù)的構(gòu)造方法，無(wú)參數(shù)的構(gòu)造方法默認(rèn)的 value 初始值是 0 ，帶參數(shù)的構(gòu)造方法可以指定初始值。

AtomicInteger 中的方法

下面我們就來(lái)聊一下 AtomicInteger 中的方法。

Get 和 Set

我們首先來(lái)看一下最簡(jiǎn)單的 get 、set 方法：

get() : 獲取當(dāng)前 AtomicInteger 的值

set() : 設(shè)置當(dāng)前 AtomicInteger 的值

get() 可以原子性的讀取 AtomicInteger 中的數(shù)據(jù)，set() 可以原子性的設(shè)置當(dāng)前的值，因?yàn)?get() 和 set() 最終都是作用于 value 變量，而 value 是由 volatile 修飾的，所以 get 、set 相當(dāng)于都是對(duì)內(nèi)存進(jìn)行讀取和設(shè)置。如下圖所示

我們上面提到了 i++ 和 i++ 的非原子性操作，我們說(shuō)可以使用 AtomicInteger 中的方法進(jìn)行替換。

Incremental 操作

AtomicInteger 中的 Incremental 相關(guān)方法可以滿(mǎn)足我們的需求

• getAndIncrement() : 原子性的增加當(dāng)前的值，并把結(jié)果返回。相當(dāng)于 i++的操作。

為了驗(yàn)證是不是線(xiàn)程安全的，我們用下面的例子進(jìn)行測(cè)試

public class TAtomicTest implements Runnable{ 
 
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(); 
 
    @Override 
    public void run() { 
        for(int i = 0;i < 10000;i++){ 
            System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement()); 
        } 
    } 
    public static void main(String[] args) { 
 
        TAtomicTest tAtomicTest = new TAtomicTest(); 
 
        Thread t1 = new Thread(tAtomicTest); 
        Thread t2 = new Thread(tAtomicTest); 
        t1.start(); 
        t2.start(); 
    } 
 
} 

通過(guò)輸出結(jié)果你會(huì)發(fā)現(xiàn)它是一個(gè)線(xiàn)程安全的操作，你可以修改 i 的值，但是最后的結(jié)果仍然是 i - 1，因?yàn)橄热≈担缓笤?+ 1，它的示意圖如下。

• incrementAndGet 與此相反，首先執(zhí)行 + 1 操作，然后返回自增后的結(jié)果，該操作方法能夠確保對(duì) value 的原子性操作。如下圖所示

Decremental 操作

與此相對(duì)，x-- 或者 x = x - 1 這樣的自減操作也是原子性的。我們?nèi)匀豢梢允褂?AtomicInteger 中的方法來(lái)替換

• getAndDecrement : 返回當(dāng)前類(lèi)型的 int 值，然后對(duì) value 的值進(jìn)行自減運(yùn)算。下面是測(cè)試代碼

class TAtomicTestDecrement implements Runnable{ 
 
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(20000); 
 
    @Override 
    public void run() { 
        for(int i = 0;i < 10000 ;i++){ 
            System.out.println(atomicInteger.getAndDecrement()); 
        } 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
 
        TAtomicTestDecrement tAtomicTest = new TAtomicTestDecrement(); 
 
        Thread t1 = new Thread(tAtomicTest); 
        Thread t2 = new Thread(tAtomicTest); 
        t1.start(); 
        t2.start(); 
 
    } 
 
} 

下面是 getAndDecrement 的示意圖

• decrementAndGet：同樣的，decrementAndGet 方法就是先執(zhí)行遞減操作，然后再獲取 value 的值，示意圖如下

LazySet方法

volatile 有內(nèi)存屏障你知道嗎?

內(nèi)存屏障是啥啊?

內(nèi)存屏障，也稱(chēng)內(nèi)存柵欄，內(nèi)存柵障，屏障指令等， 是一類(lèi)同步屏障指令，是 CPU 或編譯器在對(duì)內(nèi)存隨機(jī)訪(fǎng)問(wèn)的操作中的一個(gè)同步點(diǎn)，使得此點(diǎn)之前的所有讀寫(xiě)操作都執(zhí)行后才可以開(kāi)始執(zhí)行此點(diǎn)之后的操作。也是一個(gè)讓CPU 處理單元中的內(nèi)存狀態(tài)對(duì)其它處理單元可見(jiàn)的一項(xiàng)技術(shù)。

CPU 使用了很多優(yōu)化，使用緩存、指令重排等，其最終的目的都是為了性能，也就是說(shuō)，當(dāng)一個(gè)程序執(zhí)行時(shí)，只要最終的結(jié)果是一樣的，指令是否被重排并不重要。所以指令的執(zhí)行時(shí)序并不是順序執(zhí)行的，而是亂序執(zhí)行的，這就會(huì)帶來(lái)很多問(wèn)題，這也促使著內(nèi)存屏障的出現(xiàn)。

語(yǔ)義上，內(nèi)存屏障之前的所有寫(xiě)操作都要寫(xiě)入內(nèi)存;內(nèi)存屏障之后的讀操作都可以獲得同步屏障之前的寫(xiě)操作的結(jié)果。因此，對(duì)于敏感的程序塊，寫(xiě)操作之后、讀操作之前可以插入內(nèi)存屏障。

內(nèi)存屏障的開(kāi)銷(xiāo)非常輕量級(jí)，但是再小也是有開(kāi)銷(xiāo)的，LazySet 的作用正是如此，它會(huì)以普通變量的形式來(lái)讀寫(xiě)變量。

也可以說(shuō)是：「懶得設(shè)置屏障了」

GetAndSet 方法

以原子方式設(shè)置為給定值并返回舊值。

它的源碼就是調(diào)用了一下 unsafe 中的 getAndSetInt 方法，如下所示

就是先進(jìn)行循環(huán)，然后調(diào)用 getIntVolatile 方法，這個(gè)方法我在 cpp 中沒(méi)有找到，找到的小伙伴們記得及時(shí)告訴讓我學(xué)習(xí)一下。

循環(huán)直到 compareAndSwapInt 返回 false，這就說(shuō)明使用 CAS 并沒(méi)有更新為新的值，所以 var5 返回的就是最新的內(nèi)存值。

CAS 方法

我們一直常說(shuō)的 CAS 其實(shí)就是 CompareAndSet 方法，這個(gè)方法顧名思義，就是 「比較并更新」 的意思，當(dāng)然這是字面理解，字面理解有點(diǎn)偏差，其實(shí)人家的意思是先比較，如果滿(mǎn)足那么再進(jìn)行更新。

上面給出了 CAS Java 層面的源碼，JDK 官方給它的解釋就是 「如果當(dāng)前值等于 expect 的值，那么就以原子性的方式將當(dāng)前值設(shè)置為 update 給定值」，這個(gè)方法會(huì)返回一個(gè) boolean 類(lèi)型，如果是 true 就表示比較并更新成功，否則表示失敗。

CAS 同時(shí)也是一種無(wú)鎖并發(fā)機(jī)制，也稱(chēng)為 Lock Free，所以你覺(jué)得 Lock Free 很高大上嗎?并沒(méi)有。

下面我們構(gòu)建一個(gè)加鎖解鎖的 CASLock

class CASLock { 
 
    AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(); 
    Thread currentThread = null; 
 
    public void tryLock() throws Exception{ 
 
        boolean isLock = atomicInteger.compareAndSet(0, 1); 
        if(!isLock){ 
            throw new Exception("加鎖失敗"); 
        } 
 
        currentThread = Thread.currentThread(); 
        System.out.println(currentThread + " tryLock"); 
 
    } 
 
    public void unlock() { 
 
        int lockValue = atomicInteger.get(); 
        if(lockValue == 0){ 
            return; 
        } 
        if(currentThread == Thread.currentThread()){ 
            atomicInteger.compareAndSet(1,0); 
            System.out.println(currentThread + " unlock"); 
        } 
    } 
 
    public static void main(String[] args) { 
 
        CASLock casLock = new CASLock(); 
 
        for(int i = 0;i < 5;i++){ 
 
            new Thread(() -> { 
                try { 
                    casLock.tryLock(); 
                    Thread.sleep(10000); 
                } catch (Exception e) { 
                    e.printStackTrace(); 
                }finally { 
                    casLock.unlock(); 
                } 
            }).start(); 
        } 
 
    } 
} 

在上面的代碼中，我們構(gòu)建了一個(gè) CASLock，在 tryLock 方法中，我們先使用 CAS 方法進(jìn)行更新，如果更新不成功則拋出異常，并把當(dāng)前線(xiàn)程設(shè)置為加鎖線(xiàn)程。在 unLock 方法中，我們先判斷當(dāng)前值是否為 0 ，如果是 0 就是我們?cè)敢饪吹降慕Y(jié)果，直接返回。否則是 1，則表示當(dāng)前線(xiàn)程還在加鎖，我們?cè)賮?lái)判斷一下當(dāng)前線(xiàn)程是否是加鎖線(xiàn)程，如果是則執(zhí)行解鎖操作。

那么我們上面提到的 compareAndSet，它其實(shí)可以解析為如下操作

// 偽代碼 
 
// 當(dāng)前值 
int v = 0; 
int a = 0; 
int b = 1; 
 
if(compare(0,0) == true){ 
  set(0,1); 
} 
else{ 
  // 繼續(xù)向下執(zhí)行 
} 

也可以拿生活場(chǎng)景中的買(mǎi)票舉例子，你去景區(qū)旅游肯定要持票才能進(jìn)，如果你拿著是假票或者不符合景區(qū)的票肯定是能夠被識(shí)別出來(lái)的，如果你沒(méi)有拿票拿你也肯定進(jìn)不去景區(qū)。

廢話(huà)少說(shuō)，這就祭出來(lái) compareAndSet 的示意圖

weakCompareAndSet: 媽的非常認(rèn)真看了好幾遍，發(fā)現(xiàn) JDK1.8 的這個(gè)方法和 compareAndSet 方法完全一摸一樣啊，坑我。。。

但是真的是這樣么?并不是，JDK 源碼很博大精深，才不會(huì)設(shè)計(jì)一個(gè)重復(fù)的方法，你想想 JDK 團(tuán)隊(duì)也不是會(huì)犯這種低級(jí)團(tuán)隊(duì)，但是原因是什么呢?

《Java 高并發(fā)詳解》這本書(shū)給出了我們一個(gè)答案

AddAndGet

AddAndGet 和 getAndIncrement、getAndAdd、incrementAndGet 等等方法都是使用了 do ... while + CAS 操作，其實(shí)也就相當(dāng)于是一個(gè)自旋鎖，如果 CAS 修改成功就會(huì)一直循環(huán)，修改失敗才會(huì)返回。示意圖如下

深入 AtomicInteger

我們上面探討了 AtomicInteger 的具體使用，同時(shí)我們知道 AtomicInteger 是依靠 volatile 和 CAS 來(lái)保證原子性的，那么我們下面就來(lái)分析一下為什么 CAS 能夠保證原子性，它的底層是什么?AtomicInteger 與樂(lè)觀(guān)鎖又有什么關(guān)系呢?

AtomicInteger 的底層實(shí)現(xiàn)原理我們?cè)賮?lái)瞧瞧這個(gè)可愛(ài)的 compareAndSetL(CAS) 方法，為什么就這兩行代碼就保證原子性了?

我們可以看到，這個(gè) CAS 方法相當(dāng)于是調(diào)用了 unsafe 中的 compareAndSwapInt 方法，我們進(jìn)到 unsafe 方能發(fā)中看一下具體實(shí)現(xiàn)。

compareAndSwapInt 是 sun.misc 中的方法，這個(gè)方法是一個(gè) native 方法，它的底層是 C/C++ 實(shí)現(xiàn)的，所以我們需要看 C/C++ 的源碼。

知道 C/C++ 的牛逼之處了么。使用 Java 就是玩應(yīng)用和架構(gòu)的，C/C++ 是玩服務(wù)器、底層的。

compareAndSwapInt 的源碼在 jdk8u-dev/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.app 路徑下，它的源碼實(shí)現(xiàn)是

也就是 Unsafe_CompareAndSwapInt 方法，我們找到這個(gè)方法

C/C++ 源碼我也看不懂，但是這不妨礙我們找到關(guān)鍵代碼 Atomic::cmpxchg ，cmpxchg 是 x86 CPU 架構(gòu)的匯編指令，它的主要作用就是比較并交換操作數(shù)。我們繼續(xù)往下跟找一下這個(gè)指令的定義。

我們會(huì)發(fā)現(xiàn)對(duì)應(yīng)不同的 os，其底層實(shí)現(xiàn)方式不一樣

我們找到 Windows 的實(shí)現(xiàn)方式如下

我們繼續(xù)向下找，它其實(shí)定義的是第 216 行的代碼，我們找進(jìn)去

此時(shí)就需要匯編指令和寄存器相關(guān)的知識(shí)了。

上面的 os::is-MP() 是多處理操作系統(tǒng)的接口，下面是 __asm ，它是 C/C++ 的關(guān)鍵字，用于調(diào)用內(nèi)聯(lián)匯編程序。

__asm 中的代碼是匯編程序，大致來(lái)說(shuō)就是把 dest、exchange_value 、compare_value 的值都放在寄存器中，下面的 LOCK_IF_MP 中代碼的大致意思就是

如果是多處理器的話(huà)就會(huì)執(zhí)行 lock，然后進(jìn)行比較操作。其中的 cmp 表示比較，mp 表示的就是 MultiProcess，je 表示相等跳轉(zhuǎn)，L0 表示的是標(biāo)識(shí)位。

我們回到上面的匯編指令，我們可以看到，CAS 的底層就是 cmpxchg 指令。

樂(lè)觀(guān)鎖

你有沒(méi)有這個(gè)疑問(wèn)，為什么 AtomicInteger 可以獲取當(dāng)前值，那為什么還會(huì)出現(xiàn) expectValue 和 value 不一致的情況呢?

因?yàn)?AtomicInteger 只是一個(gè)原子性的工具類(lèi)，它不具有排他性，它不像是 synchronized 或者是 lock 一樣具有互斥和排他性，還記得 AtomicInteger 中有兩個(gè)方法 get 和 set 嗎?它們只是用 volatile 修飾了一下，而 volatile 不具有原子性，所以可能會(huì)存在 expectValue 和 value 的當(dāng)前值不一致的情況，因此可能會(huì)出現(xiàn)重復(fù)修改。

針對(duì)上面這種情況的解決辦法有兩種，一種是使用 synchronized 和 lock 等類(lèi)似的加鎖機(jī)制，這種鎖具有獨(dú)占性，也就是說(shuō)同一時(shí)刻只能有一個(gè)線(xiàn)程來(lái)進(jìn)行修改，這種方式能夠保證原子性，但是相對(duì)開(kāi)銷(xiāo)比較大，這種鎖也叫做悲觀(guān)鎖。另外一種解決辦法是使用版本號(hào)或者是 CAS 方法。

「版本號(hào)」

版本號(hào)機(jī)制是在數(shù)據(jù)表中加上一個(gè) version 字段來(lái)實(shí)現(xiàn)的，表示數(shù)據(jù)被修改的次數(shù)，當(dāng)執(zhí)行寫(xiě)操作并且寫(xiě)入成功后，version = version + 1，當(dāng)線(xiàn)程 A 要更新數(shù)據(jù)時(shí)，在讀取數(shù)據(jù)的同時(shí)也會(huì)讀取 version 值，在提交更新時(shí)，若剛才讀取到的 version 值為當(dāng)前數(shù)據(jù)庫(kù)中的 version 值相等時(shí)才更新，否則重試更新操作，直到更新成功。

「CAS 方法」

還有一種方式就是 CAS 了，我們上面用了大量的篇幅來(lái)介紹 CAS 方法，那么我們認(rèn)為你現(xiàn)在已經(jīng)對(duì)其運(yùn)行機(jī)制有一定的了解了，我們就不再闡述它的運(yùn)行機(jī)制了。

任何事情都是有利也有弊，軟件行業(yè)沒(méi)有完美的解決方案只有最優(yōu)的解決方案，所以樂(lè)觀(guān)鎖也有它的弱點(diǎn)和缺陷，那就是 ABA 問(wèn)題。

ABA 問(wèn)題

ABA 問(wèn)題說(shuō)的是，如果一個(gè)變量第一次讀取的值是 A，準(zhǔn)備好需要對(duì) A 進(jìn)行寫(xiě)操作的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)值還是 A，那么這種情況下，能認(rèn)為 A 的值沒(méi)有被改變過(guò)嗎?可以是由 A -> B -> A 的這種情況，但是 AtomicInteger 卻不會(huì)這么認(rèn)為，它只相信它看到的，它看到的是什么就是什么。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)

假如現(xiàn)在有一個(gè)單鏈表，如下圖所示

A.next = B ，B.next = null，此時(shí)有兩個(gè)線(xiàn)程 T1 和 T2 分別從單鏈表中取出 A ，由于一些特殊原因，T2 把 A 改為 B ，然后又改為 A ，此時(shí) T1 執(zhí)行 CAS 方法，發(fā)現(xiàn)單鏈表仍然是 A ，就會(huì)執(zhí)行 CAS 方法，雖然結(jié)果沒(méi)錯(cuò)，但是這種操作會(huì)造成一些潛在的問(wèn)題。

此時(shí)還是一個(gè)單鏈表，兩個(gè)線(xiàn)程 T1 和 T2 分別從單鏈表中取出 A ，然后 T1 把鏈表改為 ACD 如下圖所示

此時(shí) T2，發(fā)現(xiàn)內(nèi)存值還是 A ，就會(huì)把 A 的值嘗試替換為 B ，因?yàn)?B 的引用是 null，此時(shí)就會(huì)造成 C、D 處于游離態(tài)

JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference類(lèi)就提供了此種能力，其中的 compareAndSet 方法就是首先檢查當(dāng)前值是否等于預(yù)期值，判斷的標(biāo)準(zhǔn)就是當(dāng)前引用和郵戳分別和預(yù)期引用和郵戳相等，如果全部相等，則以原子方式設(shè)置為給定的更新值。

好了，上面就是 Java 代碼流程了，看到 native 我們知道又要擼 cpp 了。開(kāi)擼

簡(jiǎn)單解釋一下就是 UnsafeWrapper 就是包裝器，換個(gè)名字而已。然后經(jīng)過(guò)一些 JNI 的處理，因?yàn)?compareAndSwapOject 比較的是引用，所以需要經(jīng)過(guò) C++ 面向?qū)ο蟮霓D(zhuǎn)換。最主要的方法是 atomic_compare_exchange_oop

可以看到，又出現(xiàn)了熟悉的詞匯 cmpxchg ，也就是說(shuō) compareAndSwapOject 使用的還是 cmpxchg 原子性指令，只是它經(jīng)過(guò)了一系列轉(zhuǎn)換。

后記

拋出來(lái)一個(gè)問(wèn)題，CAS 能保證變量之間的可見(jiàn)性么?為什么?

還有一個(gè)問(wèn)題，getIntVolatile 方法的 cpp 源碼在哪里?怎么找?

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