AtomicInteger源碼分析——基於CAS的樂觀鎖實

1. 悲觀鎖與樂觀鎖

咱們都知道，cpu是時分複用的，也就是把cpu的時間片，分配給不一樣的thread/process輪流執行，時間片與時間片之間，須要進行cpu切換，也就是會發生進程的切換。切換涉及到清空寄存器，緩存數據。而後從新加載新的thread所需數據。當一個線程被掛起時，加入到阻塞隊列，在必定的時間或條件下，在經過notify()，notifyAll()喚醒回來。在某個資源不可用的時候，就將cpu讓出，把當前等待線程切換爲阻塞狀態。等到資源(好比一個共享數據）可用了，那麼就將線程喚醒，讓他進入runnable狀態等待cpu調度。這就是典型的悲觀鎖的實現。獨佔鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨佔鎖，它假設最壞的狀況，而且只有在確保其它線程不會形成干擾的狀況下執行，會致使其它全部須要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。

可是，因爲在進程掛起和恢復執行過程當中存在着很大的開銷。當一個線程正在等待鎖時，它不能作任何事，因此悲觀鎖有很大的缺點。舉個例子，若是一個線程須要某個資源，可是這個資源的佔用時間很短，當線程第一次搶佔這個資源時，可能這個資源被佔用，若是此時掛起這個線程，可能馬上就發現資源可用，而後又須要花費很長的時間從新搶佔鎖，時間代價就會很是的高。

因此就有了樂觀鎖的概念，他的核心思路就是，每次不加鎖而是假設沒有衝突而去完成某項操做，若是由於衝突失敗就重試，直到成功爲止。在上面的例子中，某個線程能夠不讓出cpu,而是一直while循環，若是失敗就重試，直到成功爲止。因此，當數據爭用不嚴重時，樂觀鎖效果更好。好比CAS就是一種樂觀鎖思想的應用。

2.   java中CAS的實現

CAS就是Compare and Swap的意思，比較並操做。不少的cpu直接支持CAS指令。CAS是項樂觀鎖技術，當多個線程嘗試使用CAS同時更新同一個變量時，只有其中一個線程能更新變量的值，而其它線程都失敗，失敗的線程並不會被掛起，而是被告知此次競爭中失敗，並能夠再次嘗試。CAS有3個操做數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改成B，不然什麼都不作。

JDK1.5中引入了底層的支持，在int、long和對象的引用等類型上都公開了CAS的操做，而且JVM把它們編譯爲底層硬件提供的最有效的方法，在運行CAS的平臺上，運行時把它們編譯爲相應的機器指令。在Java.util.concurrent.atomic包下面的全部的原子變量類型中，好比AtomicInteger，都使用了這些底層的JVM支持爲數字類型的引用類型提供一種高效的CAS操做。

在CAS操做中，會出現ABA問題。就是若是V的值先由A變成B，再由B變成A，那麼仍然認爲是發生了變化，並須要從新執行算法中的步驟。有簡單的解決方案：不是更新某個引用的值，而是更新兩個值，包括一個引用和一個版本號，即便這個值由A變爲B，而後爲變爲A，版本號也是不一樣的。AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference支持在兩個變量上執行原子的條件更新。AtomicStampedReference更新一個「對象-引用」二元組，經過在引用上加上「版本號」，從而避免ABA問題，AtomicMarkableReference將更新一個「對象引用-布爾值」的二元組。

3.  AtomicInteger的實現。

AtomicInteger 是一個支持原子操做的 Integer 類，就是保證對AtomicInteger類型變量的增長和減小操做是原子性的，不會出現多個線程下的數據不一致問題。若是不使用 AtomicInteger，要實現一個按順序獲取的 ID，就必須在每次獲取時進行加鎖操做，以免出現併發時獲取到一樣的 ID 的現象。

接下來經過源代碼來看AtomicInteger具體是如何實現的原子操做。

首先看incrementAndGet() 方法，下面是具體的代碼。

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

經過源碼，能夠知道，這個方法的作法爲先獲取到當前的 value 屬性值，而後將 value 加 1，賦值給一個局部的 next 變量，然而，這兩步都是非線程安全的，可是內部有一個死循環，不斷去作compareAndSet操做，直到成功爲止，也就是修改的根本在compareAndSet方法裏面，compareAndSet()方法的代碼以下：

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

compareAndSet()方法調用的compareAndSwapInt()方法的聲明以下，是一個native方法。

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

compareAndSet 傳入的爲執行方法時獲取到的 value 屬性值，next 爲加 1 後的值， compareAndSet所作的爲調用 Sun 的 UnSafe 的 compareAndSwapInt 方法來完成，此方法爲 native 方法，compareAndSwapInt 基於的是CPU 的 CAS指令來實現的。因此基於 CAS 的操做可認爲是無阻塞的，一個線程的失敗或掛起不會引發其它線程也失敗或掛起。而且因爲 CAS 操做是 CPU 原語，因此性能比較好。

相似的，還有decrementAndGet()方法。它和incrementAndGet()的區別是將 value 減 1，賦值給next 變量。

AtomicInteger中還有getAndIncrement() 和getAndDecrement() 方法，他們的實現原理和上面的兩個方法徹底相同，區別是返回值不一樣，前兩個方法返回的是改變以後的值，即next。而這兩個方法返回的是改變以前的值，即current。還有不少的其餘方法，就不列舉了。