Java中Atomic包的实现原理及应用

1. 同步问题的提出

       假设我们使用一个双核处理器执行A和B两个线程，核1执行A线程，而核2执行B线程，这两个线程现在都要对名为obj的对象的成员变量i进行加1操作，假设i的初始值为0，理论上两个线程运行后i的值应该变成2，但实际上很有可能结果为1。

         我们现在来分析原因，这里为了分析的简单，我们不考虑缓存的情况，实际上有缓存会使结果为1的可能性增大。A线程将内存中的变量i读取到核1算数运算单元中，然后进行加1操作，再将这个计算结果写回到内存中，因为上述操作不是原子操作，只要B线程在A线程将i增加1的值写回到内存之前，读取了内存中i的值（此时i值为0），那么一定就会出现i的结果为1。因为A和B线程读取的i的值都为0，两个线程对它加1后的值都为1，两个线程先后将1写入到变量i中,也就是说i被两次写入的值都为1。

        最通常的解决方法是两个线程中对i加1的代码用synchronize关键字对obj对象加锁。今天我们介绍一种新的解决方案，即使用Atomic包中的相关类来解决。

2. Atomic在硬件上的支持

         在单处理器系统(UniProcessor)中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作"，因为中断只能发生于指令之间（因为线程的调度需要通过中断完成）。这也是某些CPU指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。在对称多处理器(Symmetric Multi-Processor)结构中就不同了，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。

         在x86 平台上，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。 当然，并不是所有的指令前面都可以加lock前缀的，只有ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG,DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, 和 XCHG指令前面可以加"LOCK"指令，实现原子操作。

           Atomic的核心操作就是CAS（compare and set,利用CMPXCHG指令实现，它是一个原子指令）,该指令有三个操作数，变量的内存值V（value的缩写），变量的当前预期值E（exception的缩写），变量想要更新的值U（update的缩写），当内存值和当前预期值相同时，将变量的更新值覆盖内存值，执行伪代码如下。

if(V == E){ 

   V = U 

   return true 
}else{ 

   return false 
}

        现在我们就用CAS操作来解决上述问题。B线程将内存中的变量i读取一个临时变量中（假设此时读取的值为0），然后再将i的值读取到core1的算数运算单元中，接下来进行加1操作，比较临时变量中的值和i当前的值是否相同，如果相同用运算单元中的结果（即i+1）的值覆盖内存中i的值（注意这一部分就是CAS操作，它是个原子操作，不能被中断且其它线程中的CAS操作不能同时执行），否则指令执行失败。如果指令失败，说明A线程已经将i的值加1。由此可知如果两个线程一开始读取的i的值为都为0，那么必然只有一个线程的CAS操作能够成功，因为CAS操作不能并发执行。对于CAS操作执行失败的线程，只要循环执行CAS操作，那么一定能够成功。可以看到并没有线程阻塞，这和synchronize的原理有着本质的不同。

3. Atomic包简介及源码分析

         Atomic包中的类基本的特性就是在多线程环境下，当有多个线程同时对单个（包括基本类型及引用类型）变量进行操作时，具有排他性，即当多个线程同时对该变量的值进行更新时，仅有一个线程能成功，而未成功的线程可以向自旋锁一样，继续尝试，一直等到执行成功。

         Atomic系列的类中的核心方法都会调用unsafe类中的几个本地方法。我们需要先知道一个东西就是Unsafe类，全名为：sun.misc.Unsafe，这个类包含了大量的对C代码的操作，包括很多直接内存分配以及原子操作的调用，而它之所以标记为非安全的，是告诉你这个里面大量的方法调用都会存在安全隐患，需要小心使用，否则会导致严重的后果，例如在通过unsafe分配内存的时候，如果自己指定某些区域可能会导致一些类似C++一样的指针越界到其他进程的问题。

         Atomic包中的类按照操作的数据类型可以分成4组

•    AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong

         线程安全的基本类型的原子性操作

•    AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray

         线程安全的数组类型的原子性操作，它操作的不是整个数组，而是数组中的单个元素

•    AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater

         基于反射原理对象中的基本类型（长整型、整型和引用类型）进行线程安全的操作

•    AtomicReference ，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference

         线程安全的引用类型及防止ABA问题的引用类型的原子操作

         我们一般常用的AtomicInteger、AtomicReference和AtomicStampedReference。现在我们来分析一下Atomic包中AtomicInteger的源代码，其它类的源代码在原理上都比较类似。

          1. 有参构造函数

public AtomicInteger(int initialValue) { 

   value = initialValue;
}

      从构造函数函数可以看出，数值存放在成员变量value中

private volatile int value;

      成员变量value声明为volatile类型，说明了多线程下的可见性，即任何一个线程的修改，在其它线程中都会被立刻看到

         2. compareAndSet方法（value的值通过内部this和valueOffset传递）

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

          这个方法就是最核心的CAS操作       

          3. getAndSet方法 , 在该方法中调用了compareAndSet方法

public final int getAndSet(int newValue) {
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
}

       如果在执行if (compareAndSet(current, newValue) 之前其它线程更改了value的值，那么导致   value 的值必定和current的值不同，compareAndSet执行失败，只能重新获取value的值，然后继续比较，直到成功。

       4. i++的实现

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

         5. ++i的实现

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

4. 使用AtomicInteger例子

       下面的程序，利用AtomicInteger模拟卖票程序，运行结果中不会出现两个程序卖了同一张票，也不会卖到票为负数

package javaleanning;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class SellTickets {
    AtomicInteger tickets = new AtomicInteger(100);
    
    class Seller implements Runnable{
        @Override
        public void run() {
            while(tickets.get() > 0){
                int tmp = tickets.get();
                if(tickets.compareAndSet(tmp, tmp-1)){
                    System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"  "+tmp);
                }
            }
        }
        
    }
    
    public static void main(String[] args) {
        SellTickets st = new SellTickets();
        new Thread(st.new Seller(), "SellerA").start();
        new Thread(st.new Seller(), "SellerB").start();
    }
}

 

5. ABA问题

        上述的例子运行结果完全正确，这是基于两个（或多个）线程都是向同一个方向对数据进行操作，上面的例子中两个线程都是是对tickets进行递减操作。再比如，多个线程对一个共享队列都进行对象的入列操作，那么通过AtomicReference类也可以得到正确的结果（AQS中维护的队列其实就是这个情况），但是多个线程即可以入列也可以出列，也就是数据的操作方向不一致，那么可能出现ABA的情况。

        我们现在拿一个比较好理解的例子来解释ABA问题，假设有两个线程T1和T2，这两个线程对同一个栈进行出栈和入栈的操作。

        我们使用AtomicReference定义的tail来保存栈顶位置

AtomicReference<T>  tail;

        假设T1线程准备出栈，对于出栈操作我们只需要将栈顶位置由sp通过CAS操作更新为newSP即可，如图1所示。但是在T1线程执行tail.compareAndSet(sp, newSP)之前系统进行了线程调度，T2线程开始执行。T2执行了三个操作，A出栈，B出栈，然后又将A入栈。此时系统又开始调度，T1线程继续执行出栈操作，但是在T1线程看来，栈顶元素仍然为A，（即T1仍然认为B还是栈顶A的下一个元素），而实际上的情况如图2所示。T1会认为栈没有发生变化，所以tail.compareAndSet(sp, newSP)执行成功，栈顶指针被指向了B节点。而实际上B已经不存在于堆栈中，T1将A出栈后的结果如图3所示，这显然不是正确的结果。

6. ABA问题的解决方法

        使用AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference。使用上述两个Atomic类进行操作。他们在实现compareAndSet指令的时候除了要比较当对象的前值和预期值以外，还要比较当前（操作的）戳值和预期（操作的）戳值，当全部相同时，compareAndSet方法才能成功。每次更新成功，戳值都会发生变化，戳值的设置是由编程人员自己控制的。

public boolean compareAndSet(V  expectedReference, V  newReference, 

                            int expectedStamp,int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return  expectedReference == current.reference && 

            expectedStamp == current.stamp &&
            ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) || 

            casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

        这时的compareAndSet 方法需要四个参数expectedReference, newReference, expectedStamp, newStamp，我们在使用这个方法时要保证期望的戳值和要更新戳值不能一样，通常 newStamp = expectedStamp + 1

         还拿上述的例子

         假设线程T1在弹栈之前：     sp指向A，戳值为100。

         线程T2执行： 将A出栈后，sp指向B，戳值变为101，

                                        B出栈后，sp指向C，戳值变为102，

                                        A入栈后，sp指向A，戳值变为103，

        线程T1继续执行compareAndSet语句，发现sp虽然还是指向A，但是戳值的预期值100和当前值103不同，所以compareAndSet失败，需要从新获取newSP的值（此时newSP就会指向C），以及戳的预期值103，然后再次进行compareAndSet操作，这样A成功出栈，sp会指向C。

        注意，由于compareAndSet只能一次改变一个值，无法同时改变newReference和newStamp，所以在实现的时候，在内部定义了一个类Pair类将newReference和newStamp变成一个对象，进行CAS操作的时候，实际上是对Pair对象的操作

private static class Pair<T> {
    final T reference;
    final int stamp;
    private Pair(T reference, int stamp) {
        this.reference = reference;
        this.stamp = stamp;
    }
    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
        return new Pair<T>(reference, stamp);
    }
}

        对于AtomicMarkableReference而言，戳值是一个布尔类型的变量，而AtomicStampedReference中戳值是一个整型变量。

参考内容

[1] http://my.oschina.net/cloudcoder/blog/359291

[2] http://hustpawpaw.blog.163.com/blog/static/184228324201210811243127/

[3] http://baike.baidu.com/link?url=YEubSHRkbAgKHfP1MvL6ArNn-_mrsQRxGaRqY4Ey01EiEIblyGw5QNEfemEmrqQZw0X70Pkw9Ziqa52ShR4WGa