17.AtomicInteger、AtomicBoolean的底层原理

终有救赎

发布于 2023-10-16 10:36:50

2030

发布于 2023-10-16 10:36:50

文章被收录于专栏：多线程

小陈：老王啊，今天就要开始Atomic原子类的学习了吧......

老王：是啊，之前我们只是简单介绍了Atomic的体系，今天我们就要进入Atomic底层原理的的学习了，首先我们从AtomicInteger这个比较简单的原子类开始，在说AtomicInteger的底层原理之前呢，我先给你看两个例子：

实测样例对比Integer和AtomicInteger的线程安全性

Integer的测试样例

（1）定义一个共享变量Integer

（2）定义一个新的线程类，创建两个线程，每个线程执行10000次value++ 操作

public class AddDemo {
    // 定义一个Integer类型的共享变量value
    private static Integer value = 0;
 
    public static class AddThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
           for (int i = 0; i < 10000; i++) {
               value++;
           }
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 定义两个线程各自对value执行10000次自增操作
        AddThread addThread1 = new AddThread();
        AddThread addThread2 = new AddThread();
 
        // 启动两个线程
        addThread1.start();
        addThread2.start();
 
        // 主线程等待两个线程执行完毕
        addThread1.join();
        addThread2.join();
 
        // 输出最新的value结果
        System.out.println("value的值为:" + value);
    }
}

看看最后得到的结果19513，比预期20000相差还是挺大的

AtomicInteger的测试样例

（1）定义一个AtomicInteger原子类

（2）定义一个新的线程类AtomicAddThread，创建两个线程，每个线程执行10000次incrementAndGet() 操作

public class AtomicAddDemo {
 
    private static AtomicInteger value = new AtomicInteger(0);
 
    public static class AtomicAddThread extends Thread{
        @Override
        public void run() {
            for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                value.incrementAndGet();
            }
        }
    }
 
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 定义两个线程各自对value执行10000次自增操作
        AtomicAddThread atomicAddThread1 = new AtomicAddThread();
        AtomicAddThread atomicAddThread2 = new AtomicAddThread();
 
        // 启动两个线程
        atomicAddThread1.start();
        atomicAddThread2.start();
 
        // 主线程等待两个线程执行完毕
        atomicAddThread1.join();
        atomicAddThread2.join();
 
        // 输出最新的value结果
        System.out.println("value的值为:" + value.get());
    }
}

实际的结果20000，与预期的结果准确无误

老王：小陈啊，通过上述的实际例子，说明 AtomicInteger原子类确实是线程安全的。

小陈：是啊，使用AtomicInteger两个线程执行20000次自增操作得到的结果于预期值一致，那AtomicInteger底层到底是怎么确保线程安全的呢？

老王：这个啊，我们慢慢来剖析......

AtomicInteger的内部属性

老王：我们先通过源码来看一下AtomicInteger内部有哪些属性以及作用是什么：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    // unsafe对象，可以直接根据内存地址操作数据，可以突破java语法的限制
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // 存储实际的值
    private volatile int value;
    // 存储value属性在AtomicInteger类实例内部的偏移地址
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            // 在类初始化的时候就获取到了value变量在对象内部的偏移地址
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
}

（1）首先内部持有一个unsafe对象，Atomic原子类底层的操作都是基于unsafe对象来进行的

（2）然后有一个volatile int value变量，这个value就是原子类的实际数值，使用volatile来修饰，volatile可以保证并发中的可见性和有序性（这里之前讲过volatile可以保证可见性和有序性，不记得的要回去重新看一下哦）

（3）还有一个valueOffset，看看这段代码，其实就是获得value属性在AtomicInteger对象内部的偏移地址的：

 valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));

这个value属性相对于AtomicInter对象的内部偏移量存储在valueOffset中，我们之前讲过的 ，通过unsafe类是直接在内存级别去给变量赋值的。这里啊，我们再回顾一下unsafe值怎么从内存级别操作数据的：

首先要知道你要操作对象的内存地址，也就是AtomicInteger对象引用指向的内存地址
- 其次是要知道value属性在对象内部的偏移量offset，就可以通过 （对象地址 + offset偏移量） 直接找到value变量在内存的地址是多少，然后就可以直接给这块内存赋值了。

小陈：额，这个AtomicInteger内部还是蛮简单的呀，一个 volatile int value的属性、一个unsafe类、一个偏移地址就完事了

老王：哈哈，是啊，其实Atomic原子类啊，就是对基础的类型进行了一下包装而已，使得他们是线程安全的。比如AtomicInteger要对int进行包装，所以它内部肯定是有一个属性来存储int的值的。至于它其他两个属性valueOffset、unsafe是辅助实现并发安全的属性。

AtomicInteger的构造方法

老王：让我们再来看看AtomicInteger的构造方法源码：

public AtomicInteger(int initialValue) {
    value = initialValue;
}
 
public AtomicInteger() {
}

提供了两个构造方法，第一个是在创建AtomicInteger对象的时候直接给内存存储值的volatile int value设置初始化的值；第二个没有赋初始值，那默认就是0

AtomicInteger方法的源码分析

getAndIncrement()方法源码

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

我们看到AtomicInteger的getAndIncrement()方法源码很简单，底层就是基于unsafe.getAndAddInt包装了一下，让我们继续看一下unsafe.getAndAddInt方法源码：

public final int getAndAddInt(Object o, long valueOffset, int x) {
    int expected;
    do {
        expected = this.getIntVolatile(o, valueOffset);
    } while(!this.compareAndSwapInt(o, valueOffset, expected, expected + x));
    	
    return expected;
}

（1）首先 （o + valueOffset） 得到value变量在内存中的地址，然后根据地址直接取出value在主内存值，这个值记录为expected中

（2）根据 （o + offsetSet）地址偏移量，expected期待的值跟当前内存的值进行对比，如果相等则CAS操作成功，内存的值修改为 expected + x

（3）如果值不相等，则进入下一次循环，直到CAS操作成功为止。

（4）由于使用了volatile 修饰符修饰了value，所以一旦修改了别的线程能立马可见、同时volatile还是用内存屏障确保有序性

（5）所以上面的CAS操作确保了原子性，通过volatile确保可见性、有序性；线程安全的三个特性都满足了，上面的操作就是线程安全的。

小陈：原来这里AtomicInteger底层执行getAndIncrement() 操作底层就是直接调用unsafe的getAndAddInt()方法啊，最后还是走到了unsafe的compareAndSwapInt方法里面了，这里还是简单的呀。

老王：哈哈，AtomicInteger底层的源码本来就是不难的，底层都是基于unsafe进行薄薄的包装了一层而已，然后底层都是基于unsafe的CAS操作来保证原子性的，然后有使用volatile来修饰变量，保证了可见性和有序性，这样它就是线程安全的。

老王：关于unsafe的CAS操作是怎么保证原子性的，小陈你还记得住不，前两章的时候我们还画了一个图的：

小陈：嗯嗯，这个我记得的。

老王：好，那我也就不在CAS怎么保证原子性的话题上多说的了，我们继续看AtomicInteger原子类的其它源码：

AtomicInteger的compareAndSet源码：

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

底层也还是直接调用unsafe的compareAndSwapInt方法直接去修改，不过这里不同的是，只会执行一次CAS操作，即使失败了也不会重复CAS

其它方法源码：

其它的方法，基本都是直接调用unsafe.getAndInt方法，上面我们分析过了

public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}
 
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

老王：好了，AtomicInteger的源码基本就分析到这里了，小陈关于AtomicInteger的底层原理这块，你还有其它的疑问不？

小陈：基本上没有了，AtomicInteger的底层还是比较简单的，基本都是调用unsafe的CAS操作确保原子性，然后使用volatile修饰变量，确保可见性和有序性，我理解上应该没问题了。

老王：好的，那我们就进入下一个原子类AtomicBoolean的讨论

AtomicBoolean 底层原理分析

AtomicBoolean 属性

 public class AtomicBoolean implements java.io.Serializable {
    // unsafe对象，可以直接根据内存地址操作数据，可以突破java语法的限制
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    // 存储实际的值
    private volatile int value;
    // 存储value属性在AtomicInteger类实例内部的偏移地址
    private static final long valueOffset;
    static {
        try {
            // 在类初始化的时候就获取到了value变量在对象内部的偏移地址
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
}

小陈：啊这AtomicBoolean 拥有的属性怎么跟AtomicInteger是一模一样的!! ，它不是布尔类型吗？怎么使用一个int类型的 volatile int value来存储？

老王：其实啊，这只是AtomicBoolean 玩的一个小把戏，我们接着看就知道了：

我们看一下AtomicBoolean的构造函数源码：

public AtomicBoolean(boolean initialValue) {
    // 当传入initialValue为true的时候value = 1 , false的时候value = 0
    value = initialValue ? 1 : 0;
}

所以这里我们猜测，AtomicBoolean 底层就是使用一个int类型来表示true和false的，当value = 1的时候表示true，当value = 0的时候表示false。

然后继续看一下get()的源码：

直接就是判断value != 0 , 当value = 1则返回true，value = 0 返回false，证明了上面的猜想

public final boolean get() {
    return value != 0;
}

然后再看一下AtomicBoolean最常用最重要的方法compareAndSet源码：

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);
}

底层就是将true 转成 1，将false转成 0，然后还是调用unsafe的compareAndSwapInt方法去执行CAS操作!!， 这个我们在上面将AtomicInteger的时候已经讲过了

小陈：哎呀，原来是这样啊，这个AtomicBoolean 耍花样啊，我还以为它底层使用布尔类型来存储值呢，哪知道这兄弟直接volatile 修饰的int类型，然后1 表示 true，0 表示false，这操作不都跟AtomicInteger一样吗？只是将value表示的意思换了一下而已......

老王：是啊，看过AtomicBoolean的底层源码之后恍然大悟了吧，很多功能啊其实实现起来没有那么难，还是有很多的方式的.....

小陈：恩恩，这个我认同......

老王：小陈啊，今天我们将AtomicInteger、AtomicBoolean 的底层原理就到这里了，我们明天继续......

小陈：我们下一章见。

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原始发表：2023-10-12，如有侵权请联系 cloudcommunity@tencent.com 删除

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