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jdk源码阅读-AtomicInteger

JDK 里面提供的以 Atomic* 开头的类基本原理都是一致的, 都是借助了底层硬件级别的 Lock 来实现原子操作的。 本文以 AtomicInteger 为例进行讲述, 其他的类似。阅读本文前建议先阅读基础篇:Java内存模型

处理器原子操作: 3种加锁方式

关于 CPU 的锁有如下 3 种:

  1. 处理器自动保证基本内存操作的原子性
    首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。 处理器保证从系统内存当中读取或者写入一个字节是原子的, 意思是当一个处理器读取一个字节时, 其他处理器不能访问这个字节的内存地址。 奔腾 6 和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行 16/32/64 位的操作是原子的, 但是复杂的内存操作处理器不能自动保证其原子性, 比如跨总线宽度, 跨多个缓存行, 跨页表的访问。 但是处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。

  2. 使用总线锁保证原子性(开销大)
    如果多个处理器同时对共享变量进行读改写(i++ 就是经典的读改写操作)操作, 那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作, 这样读改写操作就不是原子的, 操作完之后共享变量的值会和期望的不一致, 举个例子:如果 i=1,我们进行两次 i++ 操作,我们期望的结果是 3,但是有可能结果是 2 。如下图
    原因是有可能多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i, 分别进行加一操作, 然后分别写入系统内存当中。 那么想要保证读改写共享变量的操作是原子的, 就必须保证 CPU1 读改写共享变量的时候,CPU2 不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。
    处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。 所谓总线锁就是使用处理器提供的一个 LOCK# 信号,当一个处理器在总线上输出此信号时, 其他处理器的请求将被阻塞住, 那么该处理器可以独占使用共享内存。

  3. 用缓存锁保证原子性
    频繁使用的内存会缓存在处理器的 L1,L2 和 L3 高速缓存里, 那么原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行, 并不需要声明总线锁, 在奔腾 6 和最近的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。所谓“缓存锁定”就是如果缓存在处理器缓存行中内存区域在 LOCK 操作期间被锁定,当它执行锁操作回写内存时,处理器不在总线上声言 LOCK# 信号,而是修改内部的内存地址,并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性,因为缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据,当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时会起缓存行无效,在上图中,当 CPU1 修改缓存行中的 i 时使用缓存锁定,那么 CPU2 就不能同时修改缓存了 i 的缓存行, 在 CPU1 更新后, CPU2 去主存拿最新值, 从而保证了数据的一致性。

但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。第一种情况是:当操作的数据不能被缓存在处理器内部,或操作的数据跨多个缓存行(cache line),则处理器会调用总线锁定。第二种情况是:有些处理器不支持缓存锁定。对于 Inter486 和奔腾处理器,就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

以上两个机制我们可以通过 Inter 处理器提供了很多 LOCK 前缀的指令来实现。比如位测试和修改指令BTS,BTR,BTC,交换指令 XADD,CMPXCHG 和其他一些操作数和逻辑指令,比如 ADD(加),OR(或)等,被这些指令操作的内存区域就会加锁,导致其他处理器不能同时访问它。

AtomicInteger 源码如何实现原子性

类声明:
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable

继承了 Number, 这主要是提供方法将数值转化为 byte, double 等方便 Java 开发者使用;
实现了 Serializable, 为了网络传输等的序列化用, 编码时最好手动生成序列化 ID, 让 javac 编译器生成开销大, 而且可能造成意想不到的状况。

变量声明:
private volatile int value;

原始类型变量声明为 private 的, 这样不会发生外部修改问题(逃逸), 如果是引用的话, 再把引用用 public 方法暴露出去那么还是会造成逃逸现象, 不过这里是原始类型, 不会出现这种情况;
volatile 关键字修饰, 使 value 变量的改变具有可见性, 底层实现是内存栅栏,保证每次取到的是最新值。

get 方法:

public final int get() {  
return value;
}

final 类型方法, 不可继承, 进一步保证线程安全。

自减操作:

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

可以看到 for 是一个死循环, 是采用忙等(也叫自旋)的方式不断地尝试(乐观锁)-1 操作, 直到成功才退出。
这里的核心是调用了 compareAndSet() 方法, 传入当前值和新值。

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

利用 JNI 调用底层其他语言实现的方法, 利用操作系统提供的 CAS(只要当前值和原来不一致就重新取值直到成功) 来保证原子性。

CAS 的缺点

基本上 Java 的 concurrent 包都是建立在 CAS 的基础上的, 甚至还包括业界一个很出名的应用于高频交易的框架 Disruptor 也是利用 CAS 来保证原子性。 但是 CAS 还是有它的缺点:

  1. ABA问题。因为 CAS 需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化,如果没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加一,那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。
    从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题。这个类的compareAndSet 方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用,并且当前标志是否等于预期标志,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
  2. 循环时间长开销大。自旋 CAS 如果长时间不成功,会给 CPU 带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的 pause 指令那么效率会有一定的提升,pause 指令有两个作用,第一它可以延迟流水线执行指令(de-pipeline),使 CPU 不会消耗过多的执行资源,延迟的时间取决于具体实现的版本,在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(memory order violation:内存顺序冲突一般是由伪/假共享引起,假共享是指多个 CPU 同时修改同一个缓存行的不同部分而引起其中一个CPU的操作无效,当出现这个内存顺序冲突时,CPU必须清空流水线)而引起 CPU 流水线被清空(CPU pipeline flush),从而提高 CPU 的执行效率。
  3. 只能保证一个共享变量的原子操作。当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如有两个共享变量i=2,j=a,合并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

鸣谢

wenniuwuren

文章目录
  1. 1. 处理器原子操作: 3种加锁方式
  2. 2. AtomicInteger 源码如何实现原子性
  3. 3. CAS 的缺点
  4. 4. 鸣谢
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