Java并发编程之原子操作类详情

JUC包提供了一系列的原子性操作类，这些类都是使用非阻塞算法CAS实现的，相比使用锁实现原子性操作者在性能上有很大提升。JUC包中含有AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean,它们的原理类似。下面我们以AtomicLong为例来讲解。

我们先来看一下部分源码：

public class AtomicLong extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 1927816293512124184L;

    //1.获取Unsafe类实例
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    //2.存放value的偏移量
    private static final long valueOffset;
    static final boolean VM_SUPPORTS_LONG_CAS = VMSupportsCS8();

    //3.用于判断是否支持Long类型无锁CAS
    private static native boolean VMSupportsCS8();

    static {
        try {
            //4.获取value在AtomicLong中的偏移量
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicLong.class.getDeclaredField(\"value\"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    //5.实际变量值
    private volatile long value;

    /**
     * Creates a new AtomicLong with the given initial value.
     *
     * @param initialValue the initial value
     */
    public AtomicLong(long initialValue) {
        value = initialValue;
    }
    ············省略部分代码·············
}

上面代码中，代码1处通过Unsafe.getUnsafe()获取到Unsafe类的实例（因为AtomicLong类是在rt.jar包下面的，AtomicLong类就是通过Bootstarp类加载器进行加载的）。代码5处，value被声明为volatile类型，保证内存的可见性。通过代码2，4获取value变量在AtomicLong类中的偏移量。

接下来介绍一下AtomicLong中的主要函数：

• 递增和递减代码

//调用unsafe方法，设置value=value+1后，返回原始的值
public final long getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
}

//调用unsafe方法，设置value=value-1后，返回原始的值
public final long getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, -1L);
}


//调用unsafe方法，设置value=value+1后，返回递增后的值
public final long incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L) + 1L;
}

//调用unsafe方法，设置value=value-1后，返回递减后的值
public final long decrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, -1L) - 1L;
}

上面的四个函数内部都是通过调用Unsafe的getAndAddLong方法来实现操作，这个函数是个原子性操作，这里第一个参数是AtomicLong实例的引用的，第二个参数是value变量在AtomicLong的偏移值，第三个参数是要设置的第二个变量的值。

其中getAndIncrement()方法在JDK7中实现逻辑为：

public final long getAndIncrement() {
    while(true) {
        long current = get();
        long next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}

如上代码中，每个线程是先拿到变量的当前值（由于value是volatile变量，所以这是获取的最新值），然后在工作内存中对其进行增1操作，而后使用CAS修改变量的值，如果设置失败，则循环继续尝试，直到设置成功。

JDK8中的逻辑为：

public final long getAndIncrement() {
        retrturn unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);
    }

其中JDK8中的unsafe.getAndAddLong的代码为：

public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {
   long var6;
   do {
       var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
   } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));

   return var6;
}

从中可以看到，JDK7中的AtomicLong中循环逻辑已经被JDK8中的原子操作类Unsafe内置了。

• boolean compareAndSet(long expect,long update)

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

函数在内部调用了unsafe.compareAndSwapLong方法。如果原子变量中的value值等于expect，则使用update值更新该值并返回true，否则返回false。