AtomicInteger、Unsafe类、ABA问题

淩亂°似流年 2022-07-13 08:27 160阅读 0赞

## AtomicInteger ##

Java中的AtomicInteger大家应该很熟悉，它是为了解决多线程访问Integer变量导致结果不正确所设计的一个基于多线程并且支持原子操作的Integer类。

AtomicInteger内部有一个变量UnSafe：`private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();`

Unsafe类是一个可以执行不安全、容易犯错的操作的一个特殊类。虽然Unsafe类中所有方法都是public的，但是这个类只能在一些被信任的代码中使用。Unsafe的源码可以在这里看 -> [UnSafe源码][UnSafe]。

Unsafe类可以执行以下几种操作：

1.  分配内存，释放内存：在方法allocateMemory，reallocateMemory，freeMemory中，有点类似c中的malloc，free方法
2.  可以定位对象的属性在内存中的位置，可以修改对象的属性值。使用objectFieldOffset方法
3.  挂起和恢复线程，被封装在LockSupport类中供使用
4.  CAS操作(CompareAndSwap，比较并交换，是一个原子操作)

AtomicInteger中用的就是Unsafe的CAS操作。

Unsafe中的int类型的CAS操作方法：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                    int expected,
                                                    int x);

参数o就是要进行cas操作的对象，offset参数是内存位置，expected参数就是期望的值(旧值)，x参数是需要更新成的新值。

也就是说，如果我把valueOffset地址的值更新为2，valueOffset原来的值是1，需要这样调用：

`compareAndSwapInt(this, valueOffset, 1, 2)`

执行后valueOffset地址的变为2或者失败。分析在后面。

valueOffset字段表示内存位置，可以在AtomicInteger对象中使用unsafe得到：

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

AtomicInteger内部使用变量value表示当前的整型值，这个整型变量还是volatile的，表示内存可见性，一个线程修改value之后保证对其他线程的可见性：

`private volatile int value;`

AtomicInteger内部还封装了一下CAS，定义了一个compareAndSet方法，只需要2个参数：

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

不论是addAndGet、incrementAndGet、getAndAdd都是在调用unsafe的getAndAddInt方法，然后对返回值进行`+/-`delta操作。**请注意返回的是未修改之前的值，而不是修改后的值。**

getAndAddInt 参数： var1 = this, var2 = valueOffset, var4 = delta

compareAndSwapInt 参数：var1 = this, var2 = valueOffset, var5 = 旧值, var5 + var4 = 要修改成的值

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
            int var5;
            do {
                var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
            } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    
            return var5;
    }

以addAndGet方法为例：

getAndAdd调用方法：`unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);`方法内部使用一个do\_while循环，先得到当前的值var5，然后再把当前的值加var4，加完之后使用cas原子操作让当前值加var4处理正确。当然cas原子操作不一定是成功的，所以做了一个死循环，当cas操作成功的时候返回数据。这里由于使用了cas原子操作，所以不会出现多线程处理错误的问题。比如线程A得到var5为1，线程B也得到var5为1；线程A的var5 + var4值为2，进行cas操作并且成功的时候，将var5修改成了2；这个时候线程B得到var5 + var4值仍旧为2，当进行cas操作的时候由于内存中的值已经是2，而不是1了；所以cas操作会失败，下一次循环的时候得到的var5就变成了2；也就不会出现多线程处理问题了。

虽然AtomicInteger中的cas操作可以实现非阻塞的原子操作，但是会产生ABA问题。

## ABA问题 ##

CAS看起来很爽，但是会导致“ABA问题”。

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另一个线程two也从内存中取出A，并且two进行了一些操作变成了B，然后two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。如果链表的头在变化了两次后恢复了原值，但是不代表链表就没有变化。因此前面提到的原子操作AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference就很有用了。这允许一对变化的元素进行原子操作。

在运用CAS做Lock-Free操作中有一个经典的ABA问题：

线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B，在此之前，线程2将变量的值由A替换为C，又由C替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了，尽管CAS成功，但可能存在潜藏的问题，例如下面的例子：

![A][]

现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A，这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：

`head.compareAndSet(A,B);`

在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再pushD、C、A，此时堆栈结构如下图，而对象B此时处于游离状态：

![B][]

此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B，但实际上B.next为null，所以此时的情况变为：

![C][]

其中堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，平白无故就把C、D丢掉了。

以上就是由于ABA问题带来的隐患，各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记，避免并发操作带来的问题，在Java中，AtomicStampedReference也实现了这个作用，它通过包装\[E,Integer\]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题，例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新，AtomicInteger会成功执行CAS操作，而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败。

## 非阻塞同步算法与CAS(Compare and Swap)无锁算法 ##

Java在JDK1.5之前都是靠synchronized关键字保证同步的，这种通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问，可以确保无论哪个线程持有守护变量的锁，都采用独占的方式来访问这些变量，如果出现多个线程同时访问锁，那第一些线线程将被挂起，当线程恢复执行时，必须等待其它线程执行完他们的时间片以后才能被调度执行，在挂起和恢复执行过程中存在着很大的开销。锁还存在着其它一些缺点，当一个线程正在等待锁时，它不能做任何事。如果一个线程在持有锁的情况下被延迟执行，那么所有需要这个锁的线程都无法执行下去。如果被阻塞的线程优先级高，而持有锁的线程优先级低，将会导致优先级反转(Priority Inversion)。

独占锁：是一种悲观锁，synchronized就是一种独占锁，会导致其它所有需要锁的线程挂起，等待持有锁的线程释放锁。

乐观锁：每次不加锁，假设没有冲突去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止。

与锁相比，volatile变量是一和更轻量级的同步机制，因为在使用这些变量时不会发生上下文切换和线程调度等操作，但是volatile变量也存在一些局限：不能用于构建原子的复合操作，因此当一个变量依赖旧值时就不能使用volatile变量。

### 非阻塞算法 （nonblocking algorithms） ###

一个线程的失败或者挂起不应该影响其他线程的失败或挂起的算法。

### CAS 操作 ###

乐观锁用到的机制就是CAS，Compare and Swap。

**CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。**

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参考资料：  
网络资料  
Java8源码  
备注：  
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作者：WSYW126

[UnSafe]: http://www.docjar.com/html/api/sun/misc/Unsafe.java.html
[A]: /images/20220713/eb5c45fe22514323a6ed07b9bdbb8525.png
[B]: /images/20220713/f129bdd1daf04a728ef156d0723f1a4a.png
[C]: /images/20220713/e899415ed3c642299b67bb4037a636c1.png
[http_blog.csdn.net_wsyw126_article_details_53979918]: http://blog.csdn.net/wsyw126/article/details/53979918