java并发编程学习: 原子变量(CAS)

先上一段代码:

package test;

public class Program {

    public static int i = 0;

    private static class Next extends Thread {

        public void run() {
            i = i + 1;
            System.out.println(i);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Next());
            threads[i].start();
        }
    }
}

代码很简单,10个线程,1个共享变量,每个线程在run的时候,将变量+1,反复运行多次,可能会输出类似下面的结果:

1 4 3 6 2 5 7 8 9 9

最后输出了2个9,显然有2个线程打架了,原因:

i = i + 1,虽然只有一行代码,但在计算机内部执行时,至少会拆成3条指令

a) 读取 i 的值,将其复制到本地的(副本)变量中

b) 将本地变量值+1

c) 将本地变量的值,覆盖到 i 上

假如有2个线程先后到达步骤a),但尚未完成步骤b),这时就出问题了,会生成相同的值。要解决这个问题,当然可以通过加锁(或synchronized),类似下面这样,代价是牺牲性能。

    private static class Next extends Thread {

        public void run() {
            synchronized (this) {
                i = i + 1;
            }
            System.out.println(i);
        }
    }

jdk的并发包里提供了很多原子变量,可以在"不加锁"(注:OS底层其实还是有锁的,只不过相对java里的synchronized性能要好很多)的情况下解决这个问题,参考下面的用法:

package test;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class Program {

    public static AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    private static class Next extends Thread {

        public void run() {
            int x = i.incrementAndGet();
            System.out.println(x);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread[] threads = new Thread[10];
        for (int i = 0; i < threads.length; i++) {
            threads[i] = new Thread(new Next());
            threads[i].start();
        }
    }
}

实现原理,可以从源码略知一二:

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

1、最外层是一个死循环

2、先获取旧值,将其复制到一个局部变量上

3、将局部变量值+1

4、比较旧值是否变化,如果没变化,说明没有其它线程对旧值修改,直接将新值覆盖到旧值,并返回新值,退出循环

5、如果旧值被修改了,开始下一轮循环,重复刚才这一系列操作,直到退出循环。

所以,第4步的compareAndSet其实是关键,继续看源码:

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

最终看到的是一个native方法(说明依赖不同OS的原生实现)

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

再往下跟,就得有点c++/c/汇编功底了,有兴趣的可自己研究下参考文章中的第2个链接文章

参考文章:

http://ifeve.com/concurrent-collections-8/

http://www.blogjava.net/mstar/archive/2013/04/24/398351.html

http://ifeve.com/13840/

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