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线程安全

什么是线程安全呢？ 当多个线程并发访问某个java对象时，无论系统如何调度这些线程，也无论这些线程将如何交替操作，这个对象都能表现出一致的、正确的行为，那么对这个对象的操作就是线程安全的。

Atomic介绍

Atomic 的中文翻译是不可中断的操作；不可中断操作就是指即使在多个线程一起执行Atomic类型操作的时候，一旦操作开始，就不会被其他线程中断。所以Atomic类指的就是具有原子操作特性的类。

atomic原子类位于JUC并发包中，文件路径为java.util.concurrent.atomic，如图：

根据操作的目标数据类型， JUC包下的原子类可以分为4类：

• 基本原子类：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean
• 数组原子类：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
• 原子引用类型:AtomicReference、AtomicMarkableReference
• 字段更新类型：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

CAS 原子

CAS（Compare and Swap ，比较并交换），通常指的是一种原子操作：针对一个变量，首先比较它的内存值与某个期望值是否相同，如果相同，就给它赋一个新值。

CAS是一种无锁算法，CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B;CAS的伪代码可以这样表示：

do{获得字段的期望值(oldValue)计算出需要替换的新值(newValue)
} while(!(CAS(内存地址,oldValue,newValue))

sum.misc.Unsafe 详解

并发工具、并发容器等在其底层都依赖于一个特殊类sun.misc.Unsafe,该类可以直接对内存进行相关的操作，主要提供一些用于执行低级别、不安全的底层操作，可以通过汇编指令直接进行CPU的操作，如直接访问系统内存的资源、自主管理内存资源等。 Unsafe的大量方法都是native方法。

虽然使用Unsafe的方法可以提升java运行效率、增强java语言底层资源操作能力方面起到很大的作用，但是由于Unsafe类可以像C语言一样使用指针操作内存空间，无疑增加了指针相关的问题，内存泄漏问题出现的概率，所以一般的应用开发都不会涉及此类，java官方也不建议直接在应用程序中使用此类。

Unsafe 使用了单例模式的懒汉式方法来实现代码。

private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();public static Unsafe getUnsafe() {return theUnsafe;
}

完成java应用层的CAS操作主要涉及Unsafe方法的调用，具体如下：
（1） 获取Unsafe实例
Unsafe类是一个final修饰的不允许继承的最终类，而且其构造函数是private类型的方法，如下所示：

public final class Unsafe {private Unsafe() {}
}

因此我们无法在外部对Unsafe进行实例化，可以通过反射的方式自定义地 获取unsafe实例的辅助方法，代码如下：

 public static Unsafe getUnsafe() {try {Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");theUnsafe.setAccessible(true);return (Unsafe) theUnsafe.get(null);} catch (Exception e) {throw new AssertionError(e);}}

（2）调用Unsafe提供的CAS方法，这些方法主要封装了底层CPU的CAS原子操作。

Unsafe 提供的CAS方法包含4个操作数-字段所在的对象、字段内存位置、预期原值，新值；在执行Unsafe的CAS方法时，这些方法首先将内存位置的值与预期值比较，如果相匹配，那么CPU 会自动将该内存位置的值更新为新值，并返回true，如果不匹配，CPU不做任何操作，并返回false。部分源码如下：

/*
* 比价并交换的原子方法* @param o 需要操作的字段所在的对象* @param offset 需要操作的字段的偏移量（相对的，相对于对象头）* @param expected 期望值（旧的值）* @param x  更新值（新的值）* @return {@code true} 如果成功返回true*/
public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset, int expected, int x);
public final native boolean compareAndSetObject(Object o, long offset, Object expected,Object x);
public final boolean compareAndSetShort(Object o, long offset, short expected,short x) ;

Unsafe的CAS操作会将第一个参数（对象的指针、地址）与第二个参数（字段偏移量）组合在一起，计算出最终的内存操作地址。

（3）调用Unsafe提供的字段偏移量方法，这些方法用于获取对象中的字段偏移量，此偏移量值需要作为参数提供给CAS操作。

Unsafe 提供的获取字段（属性）偏移量的相关操作主要如下：

/*
* 获取静态属性Field在Class对象中的偏移量，在CAS中操作静态属性时会用到这个偏移量。
*@param f 需要操作字段的反射
*@return  字段的偏移量
/
public long staticFieldOffset(Field f);
/*
* 获取非静态Field（非静态属性）在Object实例中的偏移量，在CAS中操作对象的非静态属性时会用到这个偏移量。
*@param f 需要操作字段的反射
*@return  字段的偏移量
/
public long objectFieldOffset(Field f);

##以 AtomicInteger为例
与Integer一样，AtomicInteger继承number类，作为Number类的一个子类，相比Integer类，AtomicInteger还提供了很多原子性的操作方法，

AtomicInteger主要通过CAS自旋 保障变量操作的原子性，volatile关键字保障变量的可见性，CAS+Volatile的方案实现，既保障了变量操作的线程安全性，又避免了synchronized重量级的高开销，使得java程序的执行效率大大提升。

在AtomicInteger的内部，有一个被volatile关键字修饰的的成员变量value，volatile 关键字可以保证任何线程在任何时刻总能拿到该变量的最新值，其目的在于保障变量值的线程可见性。

  //内部value值,使用volatile 保证线程的可见性private volatile int value;

实际上，AtomicInteger所提供的的所有方法主要是针对该变量value进行的操作。具体操作如下：

/*
*初始化
*/
public AtomicInteger(int initialValue) {value = initialValue;}/*
*  获取当前value值
*/public final int get() {return value;}/**  设置值*/public final void set(int newValue) {value = newValue;}

在AtomicInteger 类中实例化了一个Unsafe类， AtomicInteger 中原子性的操作方法是通过CAS自旋的方式实现的， 通过调用Unsafe的方法，例如：

/*
* 原子性++
*/
public final int getAndIncrement() {return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}
/*
* 原子性---
*/   
public final int getAndDecrement() {return U.getAndAddInt(this, VALUE, -1);}

接着来看下Unsafe的getAndAddInt()的源码实现如下：

  public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v = getIntVolatile(o, offset);} while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v + delta));return v;}

从源码可知，getAndAddInt()方法使用CAS进行无锁编程的实现的，先通过Object对象和Object对象属性的地址偏移量获取最新的地址偏移量值，然后进行CAS 操作，

 public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,int expected,int x) {return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);
}
public final native boolean compareAndSetInt(Object o, long offset,int expected,int x);

通过一步步代码深入，最终调用的是JNI方法， AtomicInteger源码中的主要方法都是通过CAS自旋实现的。CAS自旋的主要操作为：如果一次CAS操作失败，获取最新的value值后，再次进行CAS操作，直到成功。

总结：Atomic基础原子类是通过CAS自旋+volatile的方案实现，既保障了变量操作的线程安全性，又避免了synchronized重量级锁的高开销。