Java并發編程-原子類實現

gyl_coder 發布于2019-08-16 10:58 / 807人閱讀

摘要：前言為了研究對原子類的實現，從類開始，分析如果對原子操作的實現。保存著基礎數據，使用修飾，可以保證該值對內存可見，也是原子類實現的理論保障。使用自旋鎖來處理并發問題。

前言

為了研究Java對原子類的實現，從AtomicInteger類開始，分析Java如果對原子操作的實現。

什么是原子操作？

原子操作是指不會被線程調度機制打斷的操作；這種操作一旦開始，就一直運行到結束，中間不會有任何上下文的切換。
注：原子操作可以是一個步驟，也可以是多個操作步驟，但是其順序不可以被打亂，也不可以被切割只執行其中的一部分。

源碼分析：

首先從AtomicInteger類的屬性聊起：

// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
private volatile int value;

該類共有三個成員屬性。

unsafe：該類是JDK提供的可以對內存直接操作的工具類。

valueOffset：該值保存著AtomicInteger基礎數據的內存地址，方便unsafe直接對內存的操作。

value：保存著AtomicInteger基礎數據，使用volatile修飾，可以保證該值對內存可見，也是原子類實現的理論保障。

再談靜態代碼塊（初始化）

    try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

該過程實際上就是計算成員變量value的內存偏移地址，計算后，可以更直接的對內存進行操作。
了解核心方法compareAndSet(int expect,int update)：

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

在該方法中調用了unsafe提供的服務：

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

下面看看這個類在JDK中是如何實現的：

jboolean sun::misc::Unsafe::compareAndSwapInt (jobject obj, jlong offset,jint expect, jint update)  {  
  jint *addr = (jint *)((char *)obj + offset); //1
  return compareAndSwap (addr, expect, update);
}  

static inline bool compareAndSwap (volatile jlong *addr, jlong old, jlong new_val)    {    
  jboolean result = false;    
  spinlock lock;    //2
  if ((result = (*addr == old)))    //3
    *addr = new_val;    //4
  return result;  //5
}

通過對象地址和value的偏移量地址，來計算value的內存地址。

使用自旋鎖來處理并發問題。

比較內存中的值與調用方法時調用方所期待的值。

如果3中的比較符合預期，則重置內存中的值。

如果成功置換則返回true，否則返回false；

綜上所述：compareAndSet的實現依賴于兩個條件：

volatile原語：保證在操作內存的值時，該值的狀態為最新的。（被volatile所修飾的變量在讀取值時都會從變量的地址中讀取，而不是從寄存器中讀取，保證數據對所有線程都是可見的）

Unsafe類：通過該類提供的功能，可以直接對內存進行操作。

了解常見操作getAndIncrement()：

    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

同樣使用unsafe提供的方法：

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);//1
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));//2
    return var5;
}
 
//getIntVolatile方法native實現
jint sun::misc::Unsafe::getIntVolatile (jobject obj, jlong offset)    
{    
  volatile jint *addr = (jint *) ((char *) obj + offset);    //3
  jint result = *addr;    //4
  read_barrier ();    //5
  return result;    //6
}  
inline static void read_barrier(){
  __asm__ __volatile__("" : : : "memory");
}

通過volatile方法獲取當前內存中該對象的value值。

計算value的內存地址。

將值賦值給中間變量result。

插入讀屏障，保證該屏障之前的讀操作后后續的操作可見。

返回當前內存值

通過compareAndSwapInt操作對value進行+1操作，如果再執行該操作過程中，內存數據發生變更，則執行失敗，但循環操作直至成功。

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