前言
原子类都是通过在循环中调用unsafe类提供的CAS(Compare and Swap)操作,以达到无锁的并发及线程安全, CAS是CPU提供的原子性操作
基础数据型
AtomicInteger
字段
/**
* unsafe实例, Java提供的可直接操作内存地址的类
*/
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
/**
* value变量在内存中的相对偏移量, 通过unsafe可以直接操作内存地址中的内容(C语言指针操作)
*/
private static final long valueOffset;
static {
try {
// 通过unsafe拿到value变量相对于AtomicInteger类的内存偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
/**
* value变量
*/
private volatile int value;
方法
上图是方法调用关系, 可以看到, 底层最终都是通过CAS操作来完成的
unsafe.getAndSet()
AtomicInteger.java
public final int getAndSet(int newValue) {
return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
Unsafe.java
public final int getAndSetInt(Object o, long offset, int newValue) {
int v;
do {
// 获取volatile变量, 即保证了可见性的变量, 即可以看到最新值
v = getIntVolatile(o, offset);
// 循环调用cas,直至成功
} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, newValue));
return v;
}
// cas方法, native
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
unsafe.compareAndSwap()
AtomicInteger.java
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
unsafe.getAndAddInt
AtomicInteger.java
public final int getAndIncrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
public final int getAndDecrement() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}
public final int getAndAdd(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
public final int decrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
}
public final int addAndGet(int delta) {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
}
Unsafe.java
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
int v;
do {
v = getIntVolatile(o, offset);
} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
lambad表达式作为参数
public final int getAndUpdate(IntUnaryOperator updateFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = updateFunction.applyAsInt(prev);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return prev;
}
public final int updateAndGet(IntUnaryOperator updateFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = updateFunction.applyAsInt(prev);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return next;
}
public final int getAndAccumulate(int x,
IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return prev;
}
public final int accumulateAndGet(int x,
IntBinaryOperator accumulatorFunction) {
int prev, next;
do {
prev = get();
next = accumulatorFunction.applyAsInt(prev, x);
} while (!compareAndSet(prev, next));
return next;
}
AtomicLong 实现类似,略
AtomicBoolean
其value值也为int类型, 1表示true、0表示false
public AtomicBoolean(boolean initialValue) {
value = initialValue ? 1 : 0;
}
public final boolean compareAndSet(boolean expect, boolean update) {
int e = expect ? 1 : 0;
int u = update ? 1 : 0;
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, e, u);
}
引用型
AtomicReference
实现逻辑与AtomicInteger类似, 只是把变量value改为泛型, 底层通过调用compareAndSwapObject实现
Unsafe.java
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,
Object expected,
Object x);
AtomicStampedReference
实现具有戳记（Stamp）的原子引用。它通常用于解决CAS操作可能出现的ABA问题
在并发编程中，ABA问题指的是一个变量的值由A变为B，然后再次变为A，但是在这个过程中可能经历了其他线程对这个变量值的修改。如果一个线程在进行CAS操作时，只检查了值是否为A，而没有考虑中间是否有其他线程的修改，那么可能会导致错误的结果
AtomicStampedReference主要用于需要解决ABA问题的场景，例如在一些并发数据结构中，或者需要实现乐观锁的情况下。通过使用标记值，它可以提供更加安全和可靠的原子引用操作
/**
* 共享变量
*/
private volatile Pair<V> pair;
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);
}
}
AtomicMarkableReference
标记是一个布尔值，通常用于表示引用的对象是否被标记，例如在垃圾回收或图遍历算法中，标记一个对象表示它已经被访问过
使用方法和AtomicStampedReference类似
private static class Pair<T> {
final T reference;
final boolean mark;
private Pair(T reference, boolean mark) {
this.reference = reference;
this.mark = mark;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, boolean mark) {
return new Pair<T>(reference, mark);
}
}
private volatile Pair<V> pair;
数组型
AtomicIntegerArray
要操作的内存地址从单元素变为数组
数组索引i的内存地址为: base + i << shift
CAS操作和AtomicInteger则一样
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
/**
* 数组的初始内存地址
*/
private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
/**
* i<<shift可得到偏移量, 通过base + 偏移量即可得到元素的内存地址
*/
private static final int shift;
private final int[] array;
static {
// scale表示数组元素的字节大小, 此处为4
int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
// 4 & 3 = 0, 为了校验scale必须只有最高位为1的值, 即
if ((scale & (scale - 1)) != 0)
throw new Error("data type scale not a power of two");
// numberOfLeadingZeros计算出scale的二进制表示中从最高位开始连续的0的个数
// scale为4(二进制100) numberOfLeadingZeros(4) = 29
// 最后shift = 31 - 29 = 2, 之后就可以通过索引i << 2 (等同于i * 4) + base来计算元素的内存地址
shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
}
AtomicLongArray、AtomicReferenceArray 略
字段更新器
AtomicIntegerFieldUpdater
例如，你有一个类，这个类有一个volatile int字段，你想要原子地更新这个字段，但是你不能（或者不想）改变这个类。这时，你可以使用AtomicIntegerFieldUpdater来实现这个需求。
这个类的一个重要限制是，它只能更新可访问的字段。对于private字段，AtomicIntegerFieldUpdater无法进行更新。此外，字段必须被声明为volatile，否则更新操作无法保证原子性。
实现如下, 抽象类并提供了唯一一个实现, 整个构造器的最终目的还是计算出fieldName字段相对于tclass的偏移量offset
其他方法与之前也都类似
abstract class AtomicIntegerFieldUpdater
@CallerSensitive
public static <U> AtomicIntegerFieldUpdater<U> newUpdater(Class<U> tclass,
String fieldName) {
return new AtomicIntegerFieldUpdaterImpl<U>
(tclass, fieldName, Reflection.getCallerClass());
}
class AtomicIntegerFieldUpdaterImpl<T> extends AtomicIntegerFieldUpdater<T>
private static final sun.misc.Unsafe U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
private final long offset;
/**
* if field is protected, the subclass constructing updater, else
* the same as tclass
*/
private final Class<?> cclass;
/** class holding the field */
private final Class<T> tclass;
AtomicIntegerFieldUpdaterImpl(final Class<T> tclass,
final String fieldName,
final Class<?> caller) {
final Field field;
final int modifiers;
try {
// 获取field对象
field = AccessController.doPrivileged(
new PrivilegedExceptionAction<Field>() {
public Field run() throws NoSuchFieldException {
return tclass.getDeclaredField(fieldName);
}
});
// 获取field的修饰符
modifiers = field.getModifiers();
// 保证对字段的访问权限
sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(
caller, tclass, null, modifiers);
ClassLoader cl = tclass.getClassLoader();
ClassLoader ccl = caller.getClassLoader();
if ((ccl != null) && (ccl != cl) &&
((cl == null) || !isAncestor(cl, ccl))) {
sun.reflect.misc.ReflectUtil.checkPackageAccess(tclass);
}
} catch (PrivilegedActionException pae) {
throw new RuntimeException(pae.getException());
} catch (Exception ex) {
throw new RuntimeException(ex);
}
// 保证字段是int类型
if (field.getType() != int.class)
throw new IllegalArgumentException("Must be integer type");
// 保证字段是volatile修饰
if (!Modifier.isVolatile(modifiers))
throw new IllegalArgumentException("Must be volatile type");
this.cclass = (Modifier.isProtected(modifiers) &&
tclass.isAssignableFrom(caller) &&
!isSamePackage(tclass, caller))
? caller : tclass;
this.tclass = tclass;
// 获取字段偏移量
this.offset = U.objectFieldOffset(field);
}