面試官：說說Atomic原子類的實現原理
- 線程安全真的是線程的安全嗎?
- 什么是 Atomic?
- 實現一個計數器
- AtomicInteger 源碼分析
- AtomicLong 和 LongAdder 誰更牛?
- 總結
當我們談論『線程安全』的時候，肯定都會想到 Atomic 類。不錯，Atomic 相關類都是線程安全的，在講 Atomic 類之前我想再聊聊『線程安全』這個概念。
線程安全真的是線程的安全嗎?
初看『線程安全』這幾個字，很容易望文生義，這不就是線程的安全嗎?其實不是，線程本身沒有好壞，沒有『安全的線程』和『不安全的線程』之分，俗話說：人之初性本善，線程天生也是純潔善良的，真正讓線程變壞是因為訪問的變量的原因，變量對于操作系統來說其實就是內存塊，所以繞了這么一大圈，線程安全稱為『內存的安全』可能更為貼切。
簡而言之，線程訪問的內存決定了這個線程是否是安全的。
變量大致可以分為局部變量和共享變量，局部變量對于 JVM 來說是棧空間，大家都背過八股文，棧是線程私有的是非共享的，那自然也是內存安全的;共享變量對于 JVM 來說一般是存在于堆上，堆上的東西是所有線程共享的，如果不加任何限制自然是不安全的。
因為線程安全這個概念已經深入人心了，所以后面我們還是用線程安全來表達內存安全的含義。
那如何解決這種不安全呢?方法有很多，比如：加鎖、Atomic 原子類等。
好了，咱們今天先來看看Atomic類。
什么是 Atomic?
Java從JDK1.5開始提供java.util.concurrent.atomic包，這里包含了多個原子操作類。原子操作類提供了一個簡單、高效、安全的方式去更新一個變量。
Atomic 包下的原子操作類有很多，可以大致分為四種類型：
- 原子操作基本類型
- 原子操作數組類型
- 原子操作引用類型
- 原子操作更新屬性
Atomic原子操作類在源碼中都使用了Unsafe類，Unsafe類提供了硬件級別的原子操作，可以安全地直接操作內存變量。后面講解源碼時再詳細介紹。
實現一個計數器
假如在業務代碼中需要實現一個計數器的功能，啪地一下，很快我們就寫出了以下的代碼：
- public class Counter {
- private int count;
- public void increase() {
- count++;
- }
- }
increase方法對 count 變量進行遞增。
當代碼提交上庫進行code review時，啪地一下，很快收到了檢視意見(嚴重級別)：
如果在多線程場景下，你的計數器可能有問題。
上大一的時候老師就講過 count++ 是非原子性的，它實際上包含了三個操作：讀數據，加一，寫回數據。
再次修改代碼，多線訪問increase方法會有問題，那就給它加個鎖吧，count變量修改了其他線程可能不能即時看到，那就給變量加個 volatile 吧。
吭哧吭哧，代碼如下：
- public class LockCounter {
- private volatile int count;
- public synchronized void increase() {
- count++;
- }
- }
一頓操作猛如虎，再次提交代碼后，依然收到了檢視意見(建議級別)：
加鎖會影響效率，可以考慮使用原子操作類。
原子操作類?「黑人問號臉」，莫不是大佬知道我晚上有約會故意整我，不想合入代碼吧。帶著將信將疑的態度，打開百度谷歌，原來 AtomicInteger 可以輕松解決這個問題，手忙腳亂一頓復制粘貼代碼搞定了，終于可以下班了。
- public class AtomicCounter {
- private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
- public void increase() {
- count.incrementAndGet();
- }
- }
AtomicInteger 源碼分析
調用AtomicInteger類的incrementAndGet方法不用加鎖可以實現安全的遞增，這個好神奇，下面帶領大家分析一下源碼是這么實現的，等不及了等不及了。
打開源碼，可以看到定義的incrementAndGet方法：
- /**
- * 在當前值的基礎上自動加 1
- *
- * @return 更新后的值
- */
- public final int incrementAndGet() {
- return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
- }
通過源碼可以看到實際上是調用了 unsafe 的一個方法，unsafe 是什么待會再說。
我們再看看getAndAddInt方法的參數：第一個參數 this 是當前對象的引用;第二個參數valueOffset是用來記錄value值在內存中的偏移地址，第三個參數是一個常量 1;
在 AtomicInteger 中定義了一個常量valueOffset和一個可變的成員變量 value：
- 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); }
- }
- private volatile int value;
value 變量保存當前對象的值，valueOffset 是變量的內存偏移地址，也是通過調用unsafe的方法獲取。
- public final class Unsafe {
- // ……省略其他方法
- public native long objectFieldOffset(Field f);
- }
這里再說說 Unsafe 這個類，人如其名：不安全的類。打開 Unsafe 類會看到大部分方法都標識了 native，也就是說這些都是本地方法，本地方法強依賴于操作系統平臺，一般都是采用C/C++語言編寫，在調用 Unsafe 類的本地方法實際會執行這些方法，熟悉 C/C++的小伙伴可自行下載源碼研究。
好了，我們再回到最開始，調用了 Unsafe 類的getAndAddInt方法：
- public final class Unsafe {
- // ……省略其他方法
- public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
- int v;
- do {
- v = getIntVolatile(o, offset);
- // 循環 CAS 操作
- } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
- return v;
- }
- // 根據內存偏移地址獲取當前值
- public native int getIntVolatile(Object o, long offset);
- // CAS 操作
- public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
- int expected,
- int x);
- }
通過getIntVolatile方法獲取當前 AtomicInteger 對象的value值，這是一個本地方法。
然后調用compareAndSwapInt進行 CAS 原子操作，嘗試在當前值的基礎上加 1，如果 CAS 失敗會循環進行重試。
因此compareAndSwapInt方法是最核心的，詳細實現大家可以自行找源碼看。這里我們看看方法的參數，一共有四個參數：o 是指當前對象;offset 是指當前對象值的內存偏移地址;expected是期望值;x是修改后的值;
compareAndSwapInt方法的思路是拿到對象 o 和 offset 后會再去取對象實際的值，如果當前值與之前取的期望值是一致的就認為 value 沒有被修改過，直接將 value 的值更新為 x，這樣就完成了一次 CAS 操作，CAS 操作是通過操作系統保證原子性的。
如果當前值與期望值不一致，說明 value 值被修改過，那么就會重試 CAS 操作直到成功。
AtomicInteger類中還有很多其他的方法，如：
- decrementAndGet()
- getAndDecrement()
- getAndIncrement()
- accumulateAndGet()
- // …… 省略
這些方法實現原理都是大同小異，希望大家可以舉一反三理解其他的方法。
另外還有一些其他的類，如：AtomicLong，AtomicReference，AtomicIntegerArray等，這里也不再贅述，原理都是大同小異。
AtomicLong 和 LongAdder 誰更牛?
Java 在 jdk1.8版本 引入了 LongAdder 類，與 AtomicLong 一樣可以實現加、減、遞增、遞減等線程安全操作，但是在高并發競爭非常激烈的場景下 LongAdder 的效率更勝一籌，后續單獨用一篇文章進行介紹。
總結
講了半天，可能有的小伙伴還是比較懵，Atomic 類到底是如何實現線程安全的?
在語言層面上，Atomic 類是沒有做任何同步操作的，翻看源代碼方法沒有任何加鎖，其實最大功勞還是在 CAS 身上。CAS 利用操作系統的硬件特性實現了原子性，利用 CPU 多核能力實現了硬件層面的阻塞。
只有 CAS 的原子性保證就一定是線程安全的嗎?當然不是的，通過源碼發現 value 變量還用了 volatile 修飾了，保證了線程可見性。
那有些小伙伴可能要問了，那是不是加鎖就沒有用了，非也，雖然基于 CAS 的線程安全機制很好很高效，但是這適合一些粒度比較小的需求才有效，如果遇到非常復雜的業務邏輯還是需要加鎖操作的。
大家學會了嗎?
