大工厂面试问题 - AtomicInteger 线程安全原理

最编程 2024-10-09 07:16:03

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基础原子类（以 AtomicInteger 为例）主要通过 CAS 自旋 +volatile 相结合的方案实现，既保障了

变量操作的线程安全性，又避免了 synchronized 重量级锁的高开销，使得 Java 程序的执行效率大为

提升。

CAS 用于保障变量操作的原子性， volatile 关键字用于保障变量的可见性，二者

常常结合使用。至于什么是变量的线程可见性，具体请参见第 4 章。

下面以 AtomicInteger 源码为例分析一下原子类的 CAS 自旋 + volatile 相结合的实现方案。

AtomicInteger 源码的具体代码如下：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
//Unsafe类实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//内部value值，使用volatile保证线程可见性
private volatile int value;
//value属性值的地址偏移量
private static final long valueOffset;
static {
try {
//计算value属性值的地址偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(172 | Java 高并发核心编程 卷 2（加强版）：多线程、锁、JMM、JUC、高并发设计模式
AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
//初始化
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
//获取当前value值
public final int get() {
return value;
}
//方法：返回旧值并赋新值
public final int getAndSet(int newValue) {
for (;;) {
//自旋
int current = get();
//获取旧值
//以CAS方式赋值，直到成功返回
if (compareAndSet(current, newValue)) return current;
}
}
//方法：封装底层的CAS操作，对比expect(期望值)与value，若不同则返回false
//若expect与value相同，则将新值赋给value，并返回true
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
//方法：安全自增i++
public final int getAndIncrement() {
for (;;) {
//自旋
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
//方法：自定义增量数
public final int getAndAdd(int delta) {
for (;;) {
//自旋
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return current;
}
}
//方法：类似++I，返回自增后的值
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
//自旋
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
//方法：返回加上delta后的值
public final int addAndGet(int delta) {
for (;;) {
//自旋
int current = get();第 3 章 CAS 原理与 JUC 原子类 | 173
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
//省略其他源码
}

AtomicInteger 源码中的主要方法都是通过 CAS 自旋实现的。 CAS 自旋的主要操作为：

如果一次 CAS 操作失败，获取最新的 value 值后，再次进行 CAS 操作，直到成功。

另外， AtomicInteger 所包装的内部 value 成员是一个使用关键字 volatile 修饰的内部成员。关键

字 volatile 的原理比较复杂，简单地说，该关键字可以保证任何线程在任何时刻总能拿到该变量的最

新值，其目的在于保障变量值的线程可见性

声明：本文来源于网络Java 高并发核心编程卷 2（加强版）：多线程、锁、JMM、JUC、高并发设计模式。

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