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并發(fā)與高并發(fā)系列之線程安全性之原子性

本文轉(zhuǎn)載自微信公眾號「安琪拉的博客」，作者安琪拉。轉(zhuǎn)載本文請聯(lián)系安琪拉的博客公眾號。

大家好，我是安琪拉，這是并發(fā)編程的第五集，完整大綱如下：

面試官：你好，你先自我介紹一下吧。

安琪拉：面試官你好，我是草叢三婊，最強(qiáng)中單，火球擁有者、不焚者，安琪拉，這是我的簡歷，請過目。

面試官：聽前一個面試官說你Java并發(fā)這塊掌握的不錯，我們深入的交流一下;

安琪拉：好好好，可以交流的深入一點

面試官：什么是線程安全性?

安琪拉：這個問題第一次被問，但是個好問題。

當(dāng)多個線程訪問某個類時，不管運(yùn)行環(huán)境采用何種調(diào)度方式或者這些進(jìn)程將如何交替執(zhí)行，并且在主調(diào)代碼中不需要任何額外的協(xié)同或者同步，這個類都能表現(xiàn)出正確的行為，那么這個類是線程安全的。

面試官：線程安全性有哪三大特點? 或者說線程不安全是由于什么引起的?

安琪拉：【太老套了吧，能不能來點新的】

線程不安全的原因：

當(dāng)前的一個操作可能不是原子的，執(zhí)行過程中會被打斷，其他線程有能力修改共享變量的值，同時存在線程修改的值不是立即對其他線程可見的，因為線程有自己的執(zhí)行空間，另外一點就是存在程序可能存在亂序執(zhí)行的情況，單線程沒問題，但是多個線程同時執(zhí)行，線程共享的數(shù)據(jù)會出現(xiàn)錯亂，以上說的自己問題歸納出線程安全需要保證的三個特性：

  • 原子性

提供互斥訪問、同一時刻只能有一個線程在操作

  • 可見性

一個線程對主內(nèi)存的修改可以及時地被其他線程看到

  • 有序性

有序性是指程序在執(zhí)行的時候，程序的代碼執(zhí)行順序和語句的順序是一致的。(你可能會想難道還有不一致的，是的，因為存在指令重排序，為什么會有指令重排，因為性能優(yōu)化的需要，比如把多次訪問主存合并到一起執(zhí)行比計算和訪問主存交替訪問更高效)，重排序過程不會影響到單線程程序的執(zhí)行，卻會影響到多線程并發(fā)執(zhí)行的正確性。

面試官：那你用過java.util.concurrent.atomic包下原子性相關(guān)的類嗎?

安琪拉：用過的，Java提供了很多AtomicXXX相關(guān)的原子類，如下圖所示：

面試官：能舉個例子說明下用法嗎?

安琪拉：比如存在并發(fā)，計數(shù)的場景，以netty為例，它的線程池工廠類如下：

nextId就是 AtomicInteger類型的。每次創(chuàng)建線程給線程命名的時候, 代碼如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public Thread newThread(Runnable r) {
    2. 
  
  
  
  
  2.   Thread t = this.newThread(new DefaultThreadFactory.DefaultRunnableDecorator(r), this.prefix + this.nextId.incrementAndGet());
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4.   try {
    5. 
  
  
  
  
  5.     if (t.isDaemon()) {
    6. 
  
  
  
  
  6.       if (!this.daemon) {
    7. 
  
  
  
  
  7.         t.setDaemon(false);
    8. 
  
  
  
  
  8.       }
    9. 
  
  
  
  
  9.     } else if (this.daemon) {
    10. 
  
  
  
  
  10.       t.setDaemon(true);
    11. 
  
  
  
  
  11.     }
    12. 
  
  
  
  
  12. 
  
  
  
  
  13.     if (t.getPriority() != this.priority) {
    14. 
  
  
  
  
  14.       t.setPriority(this.priority);
    15. 
  
  
  
  
  15.     }
    16. 
  
  
  
  
  16.   } catch (Exception var4) {
    17. 
  
  
  
  
  17.   }
    18. 
  
  
  
  
  18. 
  
  
  
  
  19.   return t;
    20. 
  
  
  
  
  20. }
    21.

通過 incrementAndGet 實現(xiàn)原子性的 +1。

面試官：如果不用AtomicInteger，就用普通的int 會有什么后果?

安琪拉：首先我們知道 +1 操作不是原子性的，可以分成這么幾條指令：取數(shù)指令，將數(shù)據(jù)壓入操作數(shù)棧，執(zhí)行+1操作，賦值。

關(guān)于指令這塊，扔個藍(lán)。我們編譯一段Java code 看一下。

代碼和字節(jié)碼指令分別為：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public static int add(int a,int b){
    2. 
  
  
  
  
  2.   int c = 0;
    3. 
  
  
  
  
  3.   c = a + b;
    4. 
  
  
  
  
  4.   return c;
    5. 
  
  
  
  
  5. }
    6.

指令，對應(yīng)的操作解釋也有，如下：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public static int add(int, int);
    2. 
  
  
  
  
  2.     Code:
    3. 
  
  
  
  
  3.        0: iconst_0  //初始化常量0壓入操作數(shù)棧頂
    4. 
  
  
  
  
  4.        1: istore_2  //彈出操作數(shù)棧棧頂元素，保存到局部變量表第2個位置
    5. 
  
  
  
  
  5.        2: iload_0   //復(fù)制a變量的值入棧
    6. 
  
  
  
  
  6.        3: iload_1   //復(fù)制b變量的值入棧
    7. 
  
  
  
  
  7.        4: iadd      //執(zhí)行加操作，相加結(jié)果放在棧頂
    8. 
  
  
  
  
  8.        5: istore_2  //彈出操作數(shù)棧棧頂元素，保存到局部變量表第2個位置
    9. 
  
  
  
  
  9.        6: iload_2   //復(fù)制局部變量表第2個位置的值入棧
    10. 
  
  
  
  
  10.        7: ireturn   //彈棧，返回結(jié)果
    11.

寫這么多就是為了讓大家明白 a += 1 這種操作它不是原子的，是有多條指令組成，真的不容易，快給我點個贊，好心人的藍(lán)buff

面試官：那能跟我講下Atomic 的實現(xiàn)原理嗎?

安琪拉：【要開始卷了，到安琪拉最愛的源碼環(huán)節(jié)】

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. /**
    2. 
  
  
  
  
  2.      * Atomically increments by one the current value.
    3. 
  
  
  
  
  3.      *
    4. 
  
  
  
  
  4.      * @return the updated value
    5. 
  
  
  
  
  5.      */
    6. 
  
  
  
  
  6. public final int incrementAndGet() {
    7. 
  
  
  
  
  7.   return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    8. 
  
  
  
  
  8. }
    9.

代碼很短，注釋就一句話，原子性的增加當(dāng)前值。

繼續(xù)下探：

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    2. 
  
  
  
  
  2.   int var5;
    3. 
  
  
  
  
  3.   do {
    4. 
  
  
  
  
  4.     var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    5. 
  
  
  
  
  5.   } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    6. 
  
  
  
  
  6. 
  
  
  
  
  7.   return var5;
    8. 
  
  
  
  
  8. }
    9.

入?yún)⑹侨齻€值：var1、var2、var4 ，我們先看下這三個值分別是什么?

Val1：this ，也就是AtomicInteger 對象nextId

Val2：valueOffset 看下代碼，我另外畫了個圖，我們知道一個對象存儲空間由對象頭和成員變量組成的，那valueOffset 就是成員變量value 在AtomicInteger 對象中的偏移量。

初學(xué)者可能會問，函數(shù)放在哪呢?函數(shù)都放在方法區(qū)，因為是屬于類的，不是對象私有的。

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    2. 
  
  
  
  
  2. private static final long valueOffset;
    3. 
  
  
  
  
  3. 
  
  
  
  
  4. static {
    5. 
  
  
  
  
  5.   try {
    6. 
  
  
  
  
  6.     valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
    7. 
  
  
  
  
  7.       (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    8. 
  
  
  
  
  8.   } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    9. 
  
  
  
  
  9. }
    10. 
  
  
  
  
  10. 
  
  
  
  
  11. private volatile int value;
    12.

Val4：1

那開始詳細(xì)解釋下，下面這段代碼：

compareAndSwapInt 方法：比較val1(AtomicInteger對象)的var2(valueOffset偏移量)的值與var5(原始值)是否相等，如果相等，讓值更新成var5(原始值) + val4(1)

 
 
 
 
    
  
  
  
  
  1. //val1: nextId  val2: valueOffset val4: 1
    2. 
  
  
  
  
  2. public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    3. 
  
  
  
  
  3.   int var5; //臨時變量
    4. 
  
  
  
  
  4.   do {
    5. 
  
  
  
  
  5.     var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); //這是個native方法，獲取value的值
    6. 
  
  
  
  
  6.     //比較val1（AtomicInteger對象）的var2（valueOffset偏移量）的值與var5（原始值）是否相等，如果相等，讓值更新成var5（原始值） + val4（1）
    7. 
  
  
  
  
  7.   } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); 
    8. 
  
  
  
  
  8.   
    9. 
  
  
  
  
  9.   return var5;
    10. 
  
  
  
  
  10. }
    11. 
  
  
  
  
  11. 
  
  
  
  
  12. public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
    13.

compareAndSwapInt 就是Java中非常重要，也是非常出名的CAS操作，比較并交換，并發(fā)底層框架用到的地方很多。

compareAndSwapInt 會返回CAS支持狀態(tài)，如果執(zhí)行失敗，會循環(huán)執(zhí)行，直到成功。

失敗的原因一般是同時有別的線程修改了這個變量的值，所以比較的時候不相等，下次執(zhí)行會獲取最新值執(zhí)行CAS。

。。。。嚶嚶嚶，打字好累啊，先寫到這，要去吃自助餐了，明天再寫可見性和有序性。


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