前言
为了研究Java对原子类的实现，从AtomicInteger类开始，分析Java如果对原子操作的实现。
什么是原子操作？
原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何上下文的切换。
注：原子操作可以是一个步骤，也可以是多个操作步骤，但是其顺序不可以被打乱，也不可以被切割只执行其中的一部分。
源码分析：
首先从AtomicInteger类的属性聊起：
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
private volatile int value;该类共有三个成员属性。
- unsafe：该类是JDK提供的可以对内存直接操作的工具类。
- valueOffset：该值保存着AtomicInteger基础数据的内存地址，方便unsafe直接对内存的操作。
- value：保存着AtomicInteger基础数据，使用volatile修饰，可以保证该值对内存可见，也是原子类实现的理论保障。
再谈静态代码块（初始化）
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}该过程实际上就是计算成员变量value的内存偏移地址，计算后，可以更直接的对内存进行操作。
了解核心方法compareAndSet(int expect,int update)：
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}在该方法中调用了unsafe提供的服务：
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);下面看看这个类在JDK中是如何实现的：
jboolean sun::misc::Unsafe::compareAndSwapInt (jobject obj, jlong offset,jint expect, jint update) {
jint *addr = (jint *)((char *)obj + offset); //1
return compareAndSwap (addr, expect, update);
}
static inline bool compareAndSwap (volatile jlong *addr, jlong old, jlong new_val) {
jboolean result = false;
spinlock lock; //2
if ((result = (*addr == old))) //3
*addr = new_val; //4
return result; //5
} - 通过对象地址和value的偏移量地址，来计算value的内存地址。
- 使用自旋锁来处理并发问题。
- 比较内存中的值与调用方法时调用方所期待的值。
- 如果3中的比较符合预期，则重置内存中的值。
- 如果成功置换则返回true，否则返回false；
综上所述：compareAndSet的实现依赖于两个条件：
- volatile原语：保证在操作内存的值时，该值的状态为最新的。（被volatile所修饰的变量在读取值时都会从变量的地址中读取，而不是从寄存器中读取，保证数据对所有线程都是可见的）
- Unsafe类：通过该类提供的功能，可以直接对内存进行操作。
了解常见操作getAndIncrement()：
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}同样使用unsafe提供的方法：
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);//1
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));//2
return var5;
}
//getIntVolatile方法native实现
jint sun::misc::Unsafe::getIntVolatile (jobject obj, jlong offset)
{
volatile jint *addr = (jint *) ((char *) obj + offset); //3
jint result = *addr; //4
read_barrier (); //5
return result; //6
}
inline static void read_barrier(){
__asm__ __volatile__("" : : : "memory");
}- 通过volatile方法获取当前内存中该对象的value值。
- 计算value的内存地址。
- 将值赋值给中间变量result。
- 插入读屏障，保证该屏障之前的读操作后后续的操作可见。
- 返回当前内存值
- 通过compareAndSwapInt操作对value进行+1操作，如果再执行该操作过程中，内存数据发生变更，则执行失败，但循环操作直至成功。
