線程安全真的是線程的安全嗎？
什么是 Atomic？
實(shí)現(xiàn)一個計數(shù)器
AtomicInteger 源碼分析
AtomicLong 和 LongAdder 誰更牛？
總結(jié)

當(dāng)我們談?wù)摗壕€程安全』的時候，肯定都會想到 Atomic 類。不錯，Atomic 相關(guān)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(shí)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(tǒng)來說其實(shí)就是內(nèi)存塊，所以繞了這么一大圈，線程安全稱為『內(nèi)存的安全』可能更為貼切。

簡而言之，線程訪問的內(nèi)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(nèi)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(jīng)深入人心了，所以后面我們還是用線程安全來表達(dá)內(nèi)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(shù)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(nèi)存變量。后面講解源碼時再詳細(xì)介紹。

實(shí)現(xiàn)一個計數(shù)器

假如在業(yè)務(wù)代碼中需要實(shí)現(xiàn)一個計數(shù)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(jìn)行遞增。

當(dāng)代碼提交上庫進(jìn)行code review時，啪地一下，很快收到了檢視意見（嚴(yán)重級別）：

如果在多線程場景下，你的計數(shù)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(shí)際上包含了三個操作：讀數(shù)據(jù)，加一，寫回數(shù)據(jù)。

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(tài)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(fù)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(diào)用AtomicInteger類的incrementAndGet方法不用加鎖可以實(shí)現(xiàn)安全的遞增，這個好神奇，下面帶領(lǐng)大家分析一下源碼是這么實(shí)現(xiàn)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(dāng)前值的基礎(chǔ)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(shí)際上是調(diào)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(shù)：第一個參數(shù) this 是當(dāng)前對象的引用；第二個參數(shù)valueOffset是用來記錄value值在內(nèi)存中的偏移地址，第三個參數(shù)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(dāng)前對象的值，valueOffset 是變量的內(nèi)存偏移地址，也是通過調(diào)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(biāo)識了 native，也就是說這些都是本地方法，本地方法強(qiáng)依賴于操作系統(tǒng)平臺，一般都是采用C/C++語言編寫，在調(diào)用 Unsafe 類的本地方法實(shí)際會執(zhí)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(diào)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(huán) CAS 操作
        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

    // 根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取當(dāng)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(dāng)前 AtomicInteger 對象的value值，這是一個本地方法。

然后調(diào)用compareAndSwapInt進(jìn)行 CAS 原子操作，嘗試在當(dāng)前值的基礎(chǔ)上加 1，如果 CAS 失敗會循環(huán)進(jìn)行重試。

因此compareAndSwapInt方法是最核心的，詳細(xì)實(shí)現(xiàn)大家可以自行找源碼看。這里我們看看方法的參數(shù)，一共有四個參數(shù)：o 是指當(dāng)前對象；offset 是指當(dāng)前對象值的內(nèi)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(shí)際的值，如果當(dāng)前值與之前取的期望值是一致的就認(rèn)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(tǒng)保證原子性的。

如果當(dāng)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(shí)現(xiàn)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(shí)現(xiàn)加、減、遞增、遞減等線程安全操作，但是在高并發(fā)競爭非常激烈的場景下 LongAdder 的效率更勝一籌，后續(xù)單獨(dú)用一篇文章進(jìn)行介紹。