原子数组AtomicIntegerArray实现原理简析

1 前言

JDK官方提供了3个原子数组，它们提供了原子更新数组中元素的能力，它们主要借助Unsafe类实现其核心功能。

• AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素

• AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素。

• AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。

在分析原子数组之前，我们先来了解Java对象的内存布局，Java对象由对象头和实例数据两部分组成。

下图中MarkWord包含对象的hashCode、锁信息、垃圾回收的分代信息等，占32/64位；Class Metadata Pointer表示一个此对象数据类型的Class对象（虚拟机中的Klass对象）的指针，占32/64位；ArrayLength是数组对象特有的内容，表示数组的长度，占32位。数组对象的实例数据是各个元素的值或引用，普通对象的实例数据是各实例字段的值或引用。另外为了快速内存分配、快速内存寻址、提高性能，Java语言规范要求Java对象要做内存对齐处理，每个对象占用的内存字节数必须是8的倍数，若不是则要填零补足对齐。

从下图可以看出，字段与对象头之间的偏移量是固定的，只要知道字段的相对偏移量和对象起始地址，我们就能获取此字段的绝对内存地址（fieldAddress=objAddress+fieldOffset），根据此绝对内存地址，我们就能忽略访问修饰符的限制而可直接读取/修改此字段的值或引用。

数组对象的元素内存定址，相对对于普通对象的字段定址有些不一样，它要先计算出对象头的长度，作为基础偏移量；由于数组元素的数据类型是相同的，每个元素的值或引用所占内存空间是相同的，因此将元素值或引用或占内存作为每两相邻元素的相对偏移量。根据对象起始位置、基础偏移量、相邻元素相对偏移量及数组下标，就可以获取到某个元素值或引用的绝对内存地址(itemAddress=arrayAddress+baseOffset+index*indexOffset),进而通过绝对内存地址读取或修改此元素的值或引用。

2 源码分析

这里以JDK1.8的AtomicIntegerArray为例，对原子数组做出简单的实现原理分析。

(1) 主要字段

//Unsafe是所有并发工具的基础工具类
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//数组对象头到数组首元素间的地址偏移量
private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
//数组中相邻元素的地址偏移量的位移表示形式(若shift=x，那么相邻元素的偏移量就是"1<<shift")
private static final int shift;
//实际存放元素的数组
private final int[] array;

静态块主要是对静态常量shift初始化。

static {
    int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);//表示相邻元素的地址偏移量
    if ((scale & (scale - 1)) != 0)
        throw new Error("data type scale not a power of two");//非法的，scale一定是2的幂次方
    shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
}

scale表示相邻元素的地址偏移量，因为内存对齐的原因，scale一定是2ⁿ。而shift是相邻元素的地址偏移量的位移表示形式，Integer.numberOfLeadingZeros(scale)取scale进制前导零的个数，所以shift是scale二进制有效位数减1，即有效的0的个数。
如scale=16,即scale=0b00000000_00000000_00000000_00010000 , 那么shift=4。

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(2) 方法

构造方法

AtomicIntegerArray(int)创建指定长度的原子数组，AtomicIntegerArray(int)利用克隆(这里是深度克隆，源数组和原子数组互不影响)将指定的普通数组包装成原子数组.

public AtomicIntegerArray(int length) {
    array = new int[length];
}
public AtomicIntegerArray(int[] array) {
    // Visibility guaranteed by final field guarantees
    this.array = array.clone();
}

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获取指定下标元素get(int)

get()方法主要利用byteOffset根据公式offset=base+i*scale求出数组对象的起始位置下标元素的偏移量offset，然后利用unsafe.getIntVolatile根据公式indexAddr=arrayAddr+offset求出出指定偏移位置的元素值

    public final int get(int i) {
        return getRaw(checkedByteOffset(i));
    }
    private long checkedByteOffset(int i) {//下标检查，并计算数组对象起始位置至此下标元素的偏移量
        if (i < 0 || i >= array.length)
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);
        return byteOffset(i);
    }
    private static long byteOffset(int i) {//计算偏移量
        return ((long) i << shift) + base; //i*2^shift +base 即，"i*元素间距+对象头长度"
    }

    private int getRaw(long offset) {
        return unsafe.getIntVolatile(array, offset);//利用unsafe方法求出指定偏移位置的int值
    }

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更新指定下标元素set(int,int)

set()方法与get方法类似，都要先调用checkedByteOffset计算偏移量offset，不过此set方法要调用putIntVolatile在指定内存位置修改值而已。

public final void set(int i, int newValue) {
    unsafe.putIntVolatile(array, checkedByteOffset(i), newValue);
}

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getAndSet(int,int)

先获取值再设置新值，同样先调用checkedByteOffset计算偏移量offset，然后getAndSetInt进行CAS自旋更新指定的元素。

public final int getAndSet(int i, int newValue) {
    return unsafe.getAndSetInt(array, checkedByteOffset(i), newValue);
}
public final int getAndSetInt(Object o, long offset, int newValue) {//unsafe的方法
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, newValue));
    return v;
}

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compareAndSet()CAS更新期望的元素，先调用checkedByteOffset计算偏移量offset，然后调用compareAndSwapInt尝试CAS更新元素。

public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
    return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);
}

private boolean compareAndSetRaw(long offset, int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);
}

3 使用示例

class AtomicIntArrayDemo {

     public static void main(String[] args) {
         AtomicIntegerArray array = new AtomicIntegerArray(new int[]{45,23,13,47,12,42});
         for (int i = 0; i <array.length() ; i++) {
             final int j=i;
             new Thread(()->{
                 array.compareAndSet(j, 13, 31);
                 array.getAndAdd(j, 2);
                 array.decrementAndGet(j);
                 array.getAndSet(j, array.get(j) - 1);
             }).start();

         }
         System.out.println(array);
     }
}