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【Java并发编程】深入分析AtomicInteger(二)

线程安全,并发,编程,AtomicInteger,Unsafe2016-07-20

什么是线程安全性

  如果一个类可以安全地被多个线程使用,它就是线程安全的。你无法对此论述提出任何争议,但也无法从中得到更多有意义的帮助。那么我们如何辨别线程安全与非线程安全的类?我们甚至又该如何理解“安全”呢?  任何一个合理的“线程安全性”定义,其关键在于“正确性”的概念。在<<JAVA CONCURRENCY IN PRACTICE>>书中作者是这样定义的:一个类是是线程安全的,是指在被多个线程访问时,类可以持续进行正确的行为。

提示:书中作者还写到,如下:
  当多个线程访问一个类时,如果不用考虑这些线程在运行时环境下的调度和交替执行,并且不需要额外的同步及在调用方代码不必作其他的协调,这个类的行为仍然是正确的,那么称这个类是线程安全的。

代码演示:实现一个计数器

package com.lll.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UnsafeCount {
	//public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
	public static int count = 0;

	public static void inc() {
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		//count.incrementAndGet();
		count++;
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

		ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(Integer.MAX_VALUE);

		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			service.execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					UnsafeCount.inc();
				}
			});
		}

		service.shutdown();
		//避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束,在这里给予一个关闭时间
		service.awaitTermination(3000,TimeUnit.SECONDS);
		System.out.println("运行结果:UnsafeCount.count=" + UnsafeCount.count);
	}
}


提示:为了提高测试的准确性,注意查看第三十六行注释“避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束,在这里给予一个关闭时间”。

运行结果:

运行结果:UnsafeCount.count=92

运行结果:UnsafeCount.count=98

....

根据结果可以看出在多线程环境下,没有获得期望的正确结果100.


原因分析

 大家都知道,计算机在执行程序时,每条指令都是在CPU中执行的,而执行指令过程中,势必涉及到数据的读取和写入。由于程序运行过程中的临时数据是存放在主内存中的,这时就存在一个问题,由于CPU执行速度很快,而从主内存读取数据和向主内存写入数据的过程跟CPU执行指令的速度比起来要慢的多,因此如果任何时候对数据的操作都要通过和主内存的交互来进行,会大大降低指令执行的速度。因此在就有了主内存和本地内存。也就是,当程序在运行过程中,会将运算需要的数据从主存复制一份到线程的本地内存中,创建一个count变量副本,那么CPU进行计算时就可以直接从本地内存加载,使用,赋值和写入到内存中,最后再将副本值同步到主内存中。如下图:

 图片摘自http://images.cnblogs.com/cnblogs_com/aigongsi/201204/201204011757235219.jpg
  然而这些操作是不具备原子性的,当线程一正在将新的副本值同步到主内存之前,线程二进来了且从本地内存加载到的是线程一修改前的旧数据,所以导致结果数据和预期的不一样。

解决办法一

 使用AtomicInteger

  一个提供原子操作的Integer的类。在Java语言中,++i和i++操作并不是线程安全的,在使用的时候,不可避免的会用到synchronized关键字。而AtomicInteger则通过一种线程安全的加减操作接口。代码如下:
package com.lll.test;

import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class UnsafeCount {
	public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
	//public static int count = 0;

	public static void inc() {
		try {
			Thread.sleep(1000);
		} catch (InterruptedException e) {
			e.printStackTrace();
		}
		count.incrementAndGet();
		//count++;
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

		ExecutorService service=Executors.newFixedThreadPool(Integer.MAX_VALUE);

		for (int i = 0; i < 100; i++) {
			service.execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					UnsafeCount.inc();
				}
			});
		}

		service.shutdown();
		//避免出现main主线程先跑完而子线程还没结束,在这里给予一个关闭时间
		service.awaitTermination(3000,TimeUnit.SECONDS);
		System.out.println("运行结果:UnsafeCount.count=" + UnsafeCount.count);
	}
}

测试结果

运行结果:UnsafeCount.count=100

AtomicInteger源码剖析


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

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

 

 从上面的UML类图和代码可以看出AtomicInteger和Unsafe存在关联关系。它在类中获取了Unsafe的实例,然后通过Unsafe实例的objectFieldOffset方法获得value在内存中的位置。为什么它要获取value在内存中的位置?我们从incrementAndGet方法依次往下分析

 /**
     * Atomically increments by one the current value.
     *
     * @return the updated value
     */
    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

  第一步:通过get()方法获得value的值+1,然后传给了compareAndSet方法。compareAndSet代码如下:

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
+------------------------------------------------------------------+
“    Atomically sets the value to the given updated value if the current value {@code ==} the expected value.@return true if successful. False return indicates that the actual value was not equal to the expected value.”
+------------------------------------------------------------------+
  第二步:compareAndSet()方法拿到原值和要更新的值。通过代码上的注释,我们可以知道如果valueOffset位置包含的值与expect值相同,则更新valueOffset位置的值为update,并返回true,否则不更新,返回false。