背景

近年來，在并發算法領域的大多數研究都側重于非阻塞算法，這種算法用底層的原子機器指令（例如比較并發交換指令）代替鎖來確保數據在并發訪問中的一致性。非阻塞算法被廣泛的用于在操作系統和JVM中實現線程/進程調度機制、垃圾回收機制以及鎖和其他并發數據結構。

與基于鎖的方案相比，非阻塞算法在設計和實現上都要復雜的多，但他們在可伸縮性和活躍性上卻擁有巨大的優勢，由于非阻塞算法可以使多個線程在競爭相同數據時不會發生阻塞，因此它能在粒度更細的層次上面進行協調，并且極大的減少調度開銷。鎖雖然Java語言鎖定語法比較簡潔，但JVM操作和管理鎖時，需要完成的工作缺并不簡單，在實現鎖定時需要遍歷JVM中一條復雜的代碼路徑，并可能導致操作系統級的鎖定、線程掛起以及上下文切換等操作。

非阻塞算法

在基于鎖的算法中可能會發生各種活躍性故障，如果線程在持有鎖時由于阻塞I/O，內存頁缺失或其他延遲執行，那么很可能所有線程都不能繼續執行下去。如果在某種算法中，一個線程的失敗或掛起不會導致其他線程也失敗或掛起，那么這種算法就稱為非阻塞算法。如果在算法的每個步驟中都存在某個線程能夠執行下去，那么這種算法也被稱為無鎖算法。如果在算法中僅將CAS用于協調線程之間的操作，并且能夠正確的實現，那么他既是一種無阻塞算法，又是一種無鎖算法。

Java對非阻塞算法的支持：從Java5.0開始，底層可以使用原子變量類（例如AtomicInteger和AtoMicReference）來構建高效的非阻塞算法，底層實現采用的是一個比較并交換指令（CAS）。

比較并交換（CAS）

CAS包括了三個操作數，需要讀寫的內存位置V，進行比較的值A和擬寫入的新值B。當且僅當V的值等于A時，CAS才會通過原子方式用新值B來更新A的值，否則不會執行任何操作。無論V的值是否等于A，都將返回V原有的值。CAS的含義是：我認為V的值應該是A，如果是那么將V的值更新為B，否則不修改并告訴V的值實際為多少。

原子變量類

原子變量（對應內存模型中的原子性）比鎖的粒度更細。量級更輕，并且對于在多處理器系統上實現高性能的并發代碼來說是非常關鍵的。原子變量將發生競爭的范圍縮小到單個變量上面，這是你獲得的粒度最細的情況。更新原子變量的快速（非競爭）路徑不會被獲得鎖的快速路徑慢，并且通常會更快，而它的慢速路徑肯定比鎖的慢速路徑塊，因為他不需要掛起或者重新調度線程。在使用基于原子變量而非鎖的算法中，線程在執行時更不易出現延遲，并且如果遇到競爭，也更容易恢復過來。

Java中的13個原子操作類

Java從JDK1.5開始提供了java.util.concurrent.atomic包（以下簡稱Atomic包），這個包中的原子操作類提供了一種用法簡單、性能高效、線程安全地更新一個變量的方式。因為變量的類型有很多種，所以在Atomic包里一共提供了13個類，屬于4種類型的原子更新方式，分別是原子更新基本類型、原子更新數組、原子更新引用和原子更新屬性（字段）。Atomic包里的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。

• 原子更新基本類型類

使用原子的方式更新基本類型，Atomic包提供了以下3個類。

1.AtomicBoolean：原子更新布爾類型。
2.AtomicInteger：原子更新整型。
3.AtomicLong：原子更新長整型。

• 原子更新數組

通過原子的方式更新數組里的某個元素，Atomic包提供了以下4個類。

1.AtomicIntegerArray：原子更新整型數組里的元素。
2.AtomicLongArray：原子更新長整型數組里的元素。
3.AtomicReferenceArray：原子更新引用類型數組里的元素。

• 原子更新引用類型

原子更新基本類型的AtomicInteger，只能更新一個變量，如果要原子更新多個變量，就需要使用這個原子更新引用類型提供的類。Atomic包提供了以下3個類。

1.AtomicReference：原子更新引用類型。
2.AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用類型里的字段。
3.AtomicMarkableReference：原子更新帶有標記位的引用類型?？梢栽痈乱粋€布爾類型的標記位和引用類型。構造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。

• 原子更新字段類

如果需原子地更新某個類里的某個字段時，就需要使用原子更新字段類，Atomic包提供了以下3個類進行原子字段更新。

1.AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整型的字段的更新器。
2.AtomicLongFieldUpdater：原子更新長整型字段的更新器。
3.AtomicStampedReference：原子更新帶有版本號的引用類型。該類將整數值與引用關聯起來，可用于原子的更新數據和數據的版本號，可以解決使用CAS進行原子更新時可能出現的
4.ABA問題。

AtomicLong源碼分析

上面的4種原子類型都是基于CAS實現，低層借助于unsafe實現原子操作。接下來結合源碼，看一下比較有代表性的AtomicLong源碼

初始化

//保存AtomicLong的實際值，用volatile 修飾保證可見性private volatile long value; // 獲取value的內存地址的邏輯操作  static {    try {      valueOffset = unsafe.objectFieldOffset        (AtomicLong.class.getDeclaredField("value"));    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }  }  //根據傳入的參數初始化實際值，默認值為0public AtomicLong(long initialValue) {    value = initialValue;  }

接下來我們主要看一下幾個更新方法

//以原子方式更新值為傳入的newValue，并返回更新之前的值public final long getAndSet(long newValue) {    return unsafe.getAndSetLong(this, valueOffset, newValue);  }  //輸入期望值和更新值，如果輸入的值等于預期值，則以原子方式更新該值為輸入的值public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {    return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);  } //返回當前值原子加1后的值public final long getAndIncrement() {    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L);  } //返回當前值原子減1后的值public final long getAndDecrement() {    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, -1L);  } //返回當前值原子增加delta后的值public final long getAndAdd(long delta) {    return unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, delta);  }

上面列出來主要用的一些方法，可以看出基本都是調用unsafe.getAndAddLong方法，接下來我們具體看下

public native long getLongVolatile(Object var1, long var2);   public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6); /*unsafe.getAndAddLong(this, valueOffset, 1L)var1 當前值var2 value值在AtomicLong對象中的內存偏移地址*/ public final long getAndAddLong(Object var1, long var2, long var4) {    long var6;    do {      //根據var1和var2得出當前變量的值，以便接下來執行更新操作      var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);       //如果當前值為var6，則將值加var4，這樣做是確保每次更新時，變量的值是沒有被其他線//程修改過的值，如果被修改，則重新獲取最新值更新，直到更新成功    } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var6 + var4));     return var6;  }

從源碼可以看出，獲取當前值getLongVolatile方法，比較并交換compareAndSwapLong方法都是native方法。說明不是采用java實現原子操作的，具體各位同學可以繼續去查看底層源碼（應該是c++）實現，這里不在深入了（能力有限）。

比較并交換的缺陷

1、通過源碼可以看出，原子更新時，會先獲取當前值，確保當前值沒被修改過后在進行更新操作，這也意味著如果競爭十分激烈，CAS的效率是有可能比鎖更低的（一般在實際中不會出現這種情況），JDK后面推出了LongAdd，粒度更小，競爭也會被分散到更低，具體實現各位同學可以自行了解。

2、ABA是談到CAS不可避免的話題，比較并交換，會存在這樣一個場景，當變量為值A時，將值執行更新。然而在實際中，有可能其他線程將值先改為B，然后又將值改回A，此時還是能夠成功執行更新操作的（對于某些不在乎過程的沒啥影響，對于鏈表之類的就不滿足了）。解決方式是給變量打上版本號，如果版本號和值一致才執行更新操作（可使用AtomicReference）。

總結

非阻塞算法通過底層的并發原語（例如比較交換而不是鎖）來維持線程的安全性。這些底層的原語通過原子變量類向外公開，這些類也用做一種“更好的volatile變量”，從而為整數和對象引用提供原子的更新操作。

參考書籍：

《JAVA并發編程實戰》

《JAVA并發編程的藝術》

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