AtomicInteger源码分析——基于CAS的乐观锁实

1. 悲观锁与乐观锁

咱们都知道，cpu是时分复用的，也就是把cpu的时间片，分配给不一样的thread/process轮流执行，时间片与时间片之间，须要进行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。而后从新加载新的thread所需数据。当一个线程被挂起时，加入到阻塞队列，在必定的时间或条件下，在经过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(好比一个共享数据）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，它假设最坏的状况，而且只有在确保其它线程不会形成干扰的状况下执行，会致使其它全部须要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

可是，因为在进程挂起和恢复执行过程当中存在着很大的开销。当一个线程正在等待锁时，它不能作任何事，因此悲观锁有很大的缺点。举个例子，若是一个线程须要某个资源，可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，若是此时挂起这个线程，可能马上就发现资源可用，而后又须要花费很长的时间从新抢占锁，时间代价就会很是的高。

因此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做，若是由于冲突失败就重试，直到成功为止。在上面的例子中，某个线程能够不让出cpu,而是一直while循环，若是失败就重试，直到成功为止。因此，当数据争用不严重时，乐观锁效果更好。好比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，比较并操做。不少的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，而是被告知此次竞争中失败，并能够再次尝试。CAS有3个操做数，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修改成B，不然什么都不作。

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的操做，而且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包下面的全部的原子变量类型中，好比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操做。

在CAS操做中，会出现ABA问题。就是若是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，并须要从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，即便这个值由A变为B，而后为变为A，版本号也是不一样的。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，经过在引用上加上“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 是一个支持原子操做的 Integer 类，就是保证对AtomicInteger类型变量的增长和减小操做是原子性的，不会出现多个线程下的数据不一致问题。若是不使用 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做，以免出现并发时获取到一样的 ID 的现象。

接下来经过源代码来看AtomicInteger具体是如何实现的原子操做。

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; 
 } 
 }

经过源码，能够知道，这个方法的作法为先获取到当前的 value 属性值，而后将 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，可是内部有一个死循环，不断去作compareAndSet操做，直到成功为止，也就是修改的根本在compareAndSet方法里面，compareAndSet()方法的代码以下：

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

compareAndSet()方法调用的compareAndSwapInt()方法的声明以下，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所作的为调用 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。因此基于 CAS 的操做可认为是无阻塞的，一个线程的失败或挂起不会引发其它线程也失败或挂起。而且因为 CAS 操做是 CPU 原语，因此性能比较好。

相似的，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彻底相同，区别是返回值不一样，前两个方法返回的是改变以后的值，即next。而这两个方法返回的是改变以前的值，即current。还有不少的其余方法，就不列举了。