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AtomicInteger源码分析——基于CAS的乐观锁实现

1. 悲观锁与乐观锁

我们都知道,cpu是时分复用的,也就是把cpu的时间片,分配给不同的thread/process轮流执行,时间片与时间片之间,需要进行cpu切换,也就是会发生进程的切换。切换涉及到清空寄存器,缓存数据。然后重新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时,加入到阻塞队列,在一定的时间或条件下,在通过notify(),notifyAll()唤醒回来。在某个资源不可用的时候,就将cpu让出,把当前等待线程切换为阻塞状态。等到资源(比如一个共享数据)可用了,那么就将线程唤醒,让他进入runnable状态等待cpu调度。这就是典型的悲观锁的实现。独占锁是一种悲观锁,synchronized就是一种独占锁,它假设最坏的情况,并且只有在确保其它线程不会造成干扰的情况下执行,会导致其它所有需要锁的线程挂起,等待持有锁的线程释放锁。

但是,由于在进程挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时,它不能做任何事,所以悲观锁有很大的缺点。举个例子,如果一个线程需要某个资源,但是这个资源的占用时间很短,当线程第一次抢占这个资源时,可能这个资源被占用,如果此时挂起这个线程,可能立刻就发现资源可用,然后又需要花费很长的时间重新抢占锁,时间代价就会非常的高。

所以就有了乐观锁的概念,他的核心思路就是,每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作,如果因为冲突失败就重试,直到成功为止。在上面的例子中,某个线程可以不让出cpu,而是一直while循环,如果失败就重试,直到成功为止。所以,当数据争用不严重时,乐观锁效果更好。比如CAS就是一种乐观锁思想的应用。

2.   java中CAS的实现

CAS就是Compare and Swap的意思,比较并操作。很多的cpu直接支持CAS指令。CAS是项乐观锁技术,当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时,只有其中一个线程能更新变量的值,而其它线程都失败,失败的线程并不会被挂起,而是被告知这次竞争中失败,并可以再次尝试。CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。

JDK1.5中引入了底层的支持,在int、long和对象的引用等类型上都公开了CAS的操作,并且JVM把它们编译为底层硬件提供的最有效的方法,在运行CAS的平台上,运行时把它们编译为相应的机器指令。在Java.util.concurrent.atomic包下面的所有的原子变量类型中,比如AtomicInteger,都使用了这些底层的JVM支持为数字类型的引用类型提供一种高效的CAS操作。

在CAS操作中,会出现ABA问题。就是如果V的值先由A变成B,再由B变成A,那么仍然认为是发生了变化,并需要重新执行算法中的步骤。有简单的解决方案:不是更新某个引用的值,而是更新两个值,包括一个引用和一个版本号,即使这个值由A变为B,然后为变为A,版本号也是不同的。AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference支持在两个变量上执行原子的条件更新。AtomicStampedReference更新一个“对象-引用”二元组,通过在引用上加上“版本号”,从而避免ABA问题,AtomicMarkableReference将更新一个“对象引用-布尔值”的二元组。

3.  AtomicInteger的实现。

AtomicInteger 是一个支持原子操作的 Integer 类,就是保证对AtomicInteger类型变量的增加和减少操作是原子性的,不会出现多个线程下的数据不一致问题。如果不使用 AtomicInteger,要实现一个按顺序获取的 ID,就必须在每次获取时进行加锁操作,以避免出现并发时获取到同样的 ID 的现象。

接下来通过源代码来看AtomicInteger具体是如何实现的原子操作。

首先看incrementAndGet() 方法,下面是具体的代码。

public final int incrementAndGet() {  
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current + 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return next;  
        }  
    }

通过源码,可以知道,这个方法的做法为先获取到当前的 value 属性值,然后将 value 加 1,赋值给一个局部的 next 变量,然而,这两步都是非线程安全的,但是内部有一个死循环,不断去做compareAndSet操作,直到成功为止,也就是修改的根本在compareAndSet方法里面,compareAndSet()方法的代码如下:

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

compareAndSet()方法调用的compareAndSwapInt()方法的声明如下,是一个native方法。

publicfinal native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, intvar5);

compareAndSet 传入的为执行方法时获取到的 value 属性值,next 为加 1 后的值, compareAndSet所做的为调用 Sun 的 UnSafe 的 compareAndSwapInt 方法来完成,此方法为 native 方法,compareAndSwapInt 基于的是CPU 的 CAS指令来实现的。所以基于 CAS 的操作可认为是无阻塞的,一个线程的失败或挂起不会引起其它线程也失败或挂起。并且由于 CAS 操作是 CPU 原语,所以性能比较好。

类似的,还有decrementAndGet()方法。它和incrementAndGet()的区别是将 value 减 1,赋值给next 变量。

AtomicInteger中还有getAndIncrement() 和getAndDecrement() 方法,他们的实现原理和上面的两个方法完全相同,区别是返回值不同,前两个方法返回的是改变之后的值,即next。而这两个方法返回的是改变之前的值,即current。还有很多的其他方法,就不列举了。

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