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Java JUC Atomic AtomicLong

基于OpenJDK 12
本文的目的是为后续文章解析LongAdder做一个引子,以便两者对比。

Atomic Package解析参考(比如lazySet原理解析)

AtomicLong的常用方法如下:

  • long addAndGet(long delta):以原子方式将输入的数值与实例中的值(AtomicLong里的
    value)相加,并返回结果。
  • compareAndSet(long expectedValue, long newValue):如果输入的数值等于预期值,则以原子方
    式将该值设置为输入的值。
  • long getAndIncrement():以原子方式将当前值加1,注意,这里返回的是自增前的值。
  • void lazySet(long newValue):最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后,可能导致其他
    线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值
  • long getAndSet(long newValue):以原子方式设置为newValue的值,并返回旧值。

AtomicLong示例代码如下:

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public class AtomicLongTest {
static AtomicLong ai = new AtomicLong(1);
public static void main(String[] args) {
System.out.println(ai.getAndIncrement());
System.out.println(ai.get());
}
}

输出结果如下:

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那么getAndIncrement是如何实现原子操作的呢?让我们一起分析其实现原理,getAndIncrement的源码如下:

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public final long getAndIncrement() {
return U.getAndAddLong(this, VALUE, 1L);
}
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final long getAndAddLong(Object o, long offset, long delta) {
long v;
do {
v = getLongVolatile(o, offset);
} while (!weakCompareAndSetLong(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
/** Volatile version of {@link #getLong(Object, long)} */
@HotSpotIntrinsicCandidate
public native long getLongVolatile(Object o, long offset);

@HotSpotIntrinsicCandidate
public final boolean weakCompareAndSetLong(Object o, long offset,
long expected,
ong x) {
return compareAndSetLong(o, offset, expected, x);
}
/**
* Atomically updates Java variable to {@code x} if it is currently
* holding {@code expected}.
*
* <p>This operation has memory semantics of a {@code volatile} read
* and write. Corresponds to C11 atomic_compare_exchange_strong.
*
* @return {@code true} if successful
*/
@HotSpotIntrinsicCandidate
public final native boolean compareAndSetLong(Object o, long offset,
long expected,
long x);

@HotSpotIntrinsicCandidate JDK的源码中,被@HotSpotIntrinsicCandidate标注的方法,在HotSpot中都有一套高效的实现,该高效实现基于CPU指令,运行时,HotSpot维护的高效实现会替代JDK的源码实现,从而获得更高的效率。

源码getAndAddLong(Object o, long offset, long delta)中do while循环体是实现的关键所在,其逻辑是:
第一步先取得AtomicLong里存储的数值,
第二步对AtomicLong的当前数值进行加1操作,
第三步调用weakCompareAndSetLong方法来进行原子更新操作,该方法先检查当前数值是否等于v,等于意味着AtomicLong的值没有被其他线程修改过,则将weakCompareAndSetLong的当前数值更新成v+delta的值,如果不等于v,weakCompareAndSetLong方法会返回false,程序会进入do while循环重新进行weakCompareAndSetLong操作。

这里隐含了一个问题,当对于共享变量(假设变量名字是a)的竞争非常激烈的时候,在当前线程读取a、改变a之间,a的值会被别的线程改变,从而导致当前线程一直重试(自旋),一直占用CPU。

这就引出另一个问题,对于锁抢占很激烈的时候,串行是最好的解决办法。比如使用synchronized。

java.util.concurrent.atomic中的原子操作基本是基于Unsafe或者VarHandle实现的。

AtomicLong源码

本文参考 《Java并发编程的艺术》 作者:方腾飞 魏鹏 程晓明

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