(201)Atomic*實現原理

林灣村龍貓發表於2018-09-16

成神之路，需要耐得住寂寞，開啟總結原始碼之旅。

我閱讀總結原始碼的目的不是為了炫技，我希望通過閱讀原始碼可以解決一些問題，也可以通過閱讀原始碼理解別人思想，以幫助我們更好的寫我們的程式碼。

引子

在多執行緒的場景中，我們需要如何同步資料，通常會使用synchronized或者lock來處理，使用了synchronized意味著核心態的一次切換。這是一個很重的操作。有沒有一種方式，可以比較便利的實現一些簡單的資料同步，比如計數器等等。concurrent包下的atomic提供我們這麼一種輕量級的資料同步的選擇。

他山之石

使用例子

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class App {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CountDownLatch countDownLatch = new CountDownLatch(100);

        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread() {
                @Override
                public void run() {
                    atomicInteger.getAndIncrement();

                    countDownLatch.countDown();
                }
            }.start();
        }

        countDownLatch.await();

        System.out.println(atomicInteger.get());
    }
}
複製程式碼

請暫時先忽略CountDownLatch，只是為了在主執行緒中等待所有子執行緒執行完，列印結果。這個結果永遠都是100。如果將AtomicInteger換成Integer，列印結果基本都是小於100。

原理

我們可以看一下AtomicInteger的程式碼

image.png
他的值是存在一個volatile的int裡面。volatile只能保證這個變數的可見性。不能保證他的原子性。

可以看看getAndIncrement這個類似i++的函式，可以發現，是呼叫了UnSafe中的getAndAddInt。

image.png

UnSafe是何方神聖？可以參考上面的文章瞭解一下，UnSafe提供了java可以直接操作底層的能力。 進一步，我們可以發現實現方式：

image.png

如何保證原子性：自旋 + CAS（樂觀鎖）。在這個過程中，通過compareAndSwapInt比較更新value值，如果更新失敗，重新獲取舊值，然後更新。

優缺點

CAS相對於其他鎖，不會進行核心態操作，有著一些效能的提升。但同時引入自旋，當鎖競爭較大的時候，自旋次數會增多。cpu資源會消耗很高。

換句話說，CAS+自旋適合使用在低併發有同步資料的應用場景。

jdk8做出的改進和努力

在jdk8中引入了4個新的計數器型別，LongAdder、LongAccumulator、DoubleAdder、DoubleAccumulator。他們都是繼承於Striped64。

在LongAdder 與AtomicLong有什麼區別？ Atomic*遇到的問題是，只能運用於低併發場景。因此LongAddr在這基礎上引入了分段鎖的概念。可以參考《JDK8系列之LongAdder解析》一起看看做了什麼。

大概就是當競爭不激烈的時候，所有執行緒都是通過CAS對同一個變數（Base）進行修改，當競爭激烈的時候，會將根據當前執行緒雜湊到對於Cell上進行修改（多段鎖）。

image.png

可以看到大概實現原理是：通過CAS樂觀鎖保證原子性，通過自旋保證當次修改的最終修改成功，通過**降低鎖粒度（多段鎖）**增加併發效能。

關鍵點

  • 自旋
  • CAS樂觀鎖
  • 多段鎖（分治思想）

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