JUC-4(共享模型之无锁)

4.1 问题提出

4.1.1 提取款问题

有如下需求，保证account、withdraw取款方法的线程安全。

interface Account {
    // 获取余额
    Integer geBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);

    /**
     * 方法内会启动1000个线程，每个线程做-10元操作
     * 如果初始余额为10000，那么正确的结果应该是0
     * @param account 账户
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        long start = System.nanoTime();
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.printf("final balance: %d, spend time(ms): %d] ", account.geBalance(), (end - start) / 1000_000);
    }
}

显然以上做法无法保证线程安全。

4.1.2 锁解决方案

保护共享变量，给临界区加锁。

class AccountSafe implements Account {
    // 余额
    private Integer balance;

    public AccountSafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }

    @Override
    public Integer geBalance() {
        return this.balance;
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        synchronized (this) {
            this.balance -= amount;
        }
    }
}

4.1.2 无锁解决方案

使用原子整数进行CAS操作：

class AccountCAS implements Account {
    private AtomicInteger balance;

    public AccountCAS(Integer balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }

    @Override
    public Integer geBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while (true) {
            // 获取余额的最新值
            int prev = this.balance.get();
            // 修改后的余额
            int next = prev - amount;
            // 同步到主存
            // CAS(预期值，修改值) => boolean(是否修改成功)
            if (this.balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

4.1.3 测试

编写以下代码进行测试：

public class AccountDemo {
    public static void main(String[] args) {
        System.out.print("[Unsafe => ");
        Account a1 = new AccountUnsafe(10000);
        Account.demo(a1);
        System.out.print("[synchronized => ");
        Account a2 = new AccountSafe(10000);
        Account.demo(a2);
        System.out.print("[compareAndSet => ");
        Account a3 = new AccountCAS(10000);
        Account.demo(a3);
        System.out.println();
    }
}

测试脚本：

1	for ($i=0; $i -le 10; $i++) { java top.parak.none.AccountDemo }

运行结果：

4.1.5 compareAndSet

compareAndSet，简称CAS（也有Compare And Swap的说法），它必须是原子操作。

while (true) {
    // 获取余额的最新值
    int prev = this.balance.get();
    // 修改后的余额
    int next = prev - amount;
    // 同步到主存
    // CAS(预期值，修改值) => boolean(是否修改成功)
    if (this.balance.compareAndSet(prev, next)) {
        break;
    }
}

4.2 CAS与volatile

4.2.1 volatile

获取共享变量时，为了保证该变量的可见性，需要使用volatile修饰。

它可以用来修饰成员变量和静态成员变量，它可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作volatile变量都是操作主存。即一个线程对volatile变量的修改，对另一个线程可见。

CAS必须借助volatile才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果。

4.2.2 为什么CAS+重试效率高？

在无锁情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而synchronized会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。
但是，在无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外CPU的支持，CPU在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然也不会进入阻塞，但由于没有分到时间片，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。

4.2.3 CAS应用场景

结合CAS和volatile可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核CPU的场景下：

CAS是基于乐观锁的思想：非常乐观，假设没有别的线程来修改共享变量，如果其他线程修改了当前线程就再次重试。
synchronized是基于悲观锁的思想：非常悲观，提防其他线程来修改共享变量，当前线程获取资源就立马上锁，其他争抢资源失败的线程进入阻塞状态，修改结束才开锁，
CAS体现的是无锁并发、无阻塞并发
- 因为没有使用无锁并发、无阻塞并发，所以线程不会陷入阻塞。
- 但是如果竞争激烈，重试必然频繁发生，反而效率会收到影响。

4.2.4 CAS特点

优点：

可以保证变量操作的原子性
并发量低时，CAS效率高于synchronized
在线程对共享资源占用时间较短的情况下，使用CAS机制效率也会较高

缺点：

无法解决ABA问题
可能会消耗较高的CPU
不能保证代码块的原子性

4.3 原子整数

JUC提供如下原子整数类：

AtomicBoolean
AtomicInteger
AtomicLong

AtomicInteger常用API如下：

4.4 原子引用

JUC提供如下原子引用类：

AtomicReference：普通原子引用类型，对对象进行原子操作
AtomicStampedReference：带int类型版本戳的原子引用类型，记录更改次数
AtomicMarkableReference：带boolean类型版本戳的原子引用类型，记录是否更改

作用：保证引用类型的共享变量是线程安全的。

使用BigDemical实现提取款问题的线程安全解决方案：

class DecimalAccountCAS implements DecimalAccount {
    private AtomicReference<BigDecimal> balance;

    public DecimalAccountCAS(BigDecimal balance) {
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }

    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance.get();
    }

    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = balance.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

interface DecimalAccount {
    BigDecimal getBalance();
    void withdraw(BigDecimal amount);
}

4.4.1 ABA问题

如下程序所示，虽然在other方法中存在两个线程对共享变量进行了修改，但是经过了两轮修改又变成了原值，main线程对修改共享变量的过程是不可见的，这种操作对业务代码并无影响。

@Slf4j(topic = "ABAAtomicReference")
public class ABAAtomicReferenceDemo {
    private static AtomicReference<String> ref = new AtomicReference<>("A");

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        String prev = ref.get();
        other();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        log.debug("change A -> K ? {}", ref.compareAndSet(prev, "K"));
    }

    private static void other() {
        new Thread(() -> log.debug("change A -> B ? {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "B")), "B").start();
        new Thread(() -> log.debug("change B -> A ? {}", ref.compareAndSet(ref.get(), "A")), "A").start();
    }
}

运行结果：

2021-04-27 17:29:12.538 [main] DEBUG ABAAtomicReference - main start...
2021-04-27 17:29:12.575 [A] DEBUG ABAAtomicReference - change B -> A ? true
2021-04-27 17:29:12.575 [B] DEBUG ABAAtomicReference - change A -> B ? true
2021-04-27 17:29:13.580 [main] DEBUG ABAAtomicReference - change A -> K ? true

虽然ABA对业务没有影响，但是如何让主线程感知到其他线程的修改呢？

4.4.2 AtomicStampedReference

解决ABA问题：

@Slf4j(topic = "ABAAtomicStampedReference")
public class ABAAtomicStampedReferenceDemo {
   private static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("main start...");
        int stamp = ref.getStamp();
        other();
        TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
        boolean res = ref.compareAndSet(ref.getReference(), "K", stamp, stamp + 1);
        log.debug("change A -> K ? {}", res);
    }

    private static void other() {
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            boolean res = ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", stamp, stamp + 1);
            log.debug("change A -> B ? {}", res);
        }).start();
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            boolean res = ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", stamp, stamp + 1);
            log.debug("change B -> A ? {}", res);
        }).start();
    }
}

运行结果：

2021-04-27 18:18:00.754 [main] DEBUG ABAAtomicStampedReference - main start...
2021-04-27 18:18:00.787 [A] DEBUG ABAAtomicStampedReference - change B -> A ? true
2021-04-27 18:18:00.787 [B] DEBUG ABAAtomicStampedReference - change A -> B ? true
2021-04-27 18:18:01.792 [main] DEBUG ABAAtomicStampedReference - change A -> K ? false

4.4.3 AtomicMarkableReference

不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过。

案例：

家里有清洁机器人和保洁阿姨，垃圾袋满时，需要更换，机器人换了阿姨则不需要换，反之亦然。

@Slf4j(topic = "ABAAtomicMarkableReference")
public class ABAAtomicMarkableReferenceDemo {
    private static GarbageBag bag = new GarbageBag("装满垃圾");
    private static AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        log.debug("家里需要换垃圾袋...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        robot();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
        aunt();
        TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(10);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }

    // 清洁机器人
    private static void robot() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("清洁机器人开始打扫卫生...");
            boolean res = ref.compareAndSet(ref.getReference(), new GarbageBag("新垃圾袋"),
                    true, false);
            log.debug("机器人是否换了垃圾袋 ? {}", res);
        }, "robot").start();
    }

    // 保洁阿姨
    private static void aunt() {
        new Thread(() -> {
            log.debug("保洁阿姨开始打扫卫生...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            boolean res = ref.compareAndSet(ref.getReference(), new GarbageBag("新垃圾袋"),
                    true, false);
            log.debug("阿姨是否换了垃圾袋 ? {}", res);
        }, "aunt").start();
    }
}

class GarbageBag {
    String desc;

    public GarbageBag(String desc) { this.desc = desc; }

    public void setDesc(String desc) { this.desc = desc; }

    @Override
    public String toString() { return "GarbageBag[desc='" + desc + "']"; }
}

运行结果：

2021-04-27 20:01:20.764 [main] DEBUG ABAAtomicMarkableReference - 需要换垃圾袋...
2021-04-27 20:01:20.796 [robot] DEBUG ABAAtomicMarkableReference - 清洁机器人开始打扫卫生...
2021-04-27 20:01:20.796 [robot] DEBUG ABAAtomicMarkableReference - 机器人是否换了垃圾袋 ? true
2021-04-27 20:01:20.809 [aunt] DEBUG ABAAtomicMarkableReference - 保洁阿姨开始打扫卫生...
2021-04-27 20:01:20.809 [aunt] DEBUG ABAAtomicMarkableReference - 阿姨是否换了垃圾袋 ? false
2021-04-27 20:01:20.823 [main] DEBUG ABAAtomicMarkableReference - GarbageBag[desc='新垃圾袋']

4.5 原子数组

JUC提供如下原子数组类：

AtomicIntegerArray
AtomicLongArray
AtomicReferenceArray

作用：保证数组内的元素的线程安全。

示例：

@Slf4j(topic = "AtomicArray")
public class AtomicArrayDemo {
    public static void main(String[] args) {
        demo(
                () -> new int[10],
                array -> array.length,
                (array, index) -> array[index]++,
                array ->  log.debug("普通数组：{}", Arrays.toString(array))
        );
        demo(
                () -> new AtomicIntegerArray(10),
                AtomicIntegerArray::length,
                AtomicIntegerArray::getAndIncrement,
                array -> log.debug("安全数组：{}", array)
        );
    }

    /**
     * @param arraySupplier   提供数组
     * @param lengthFunction  获取数组长度的方法
     * @param putConsumer     指定元素的自增方法
     * @param printConsumer   打印数组元素的方法
     * @apiNote
     * <p> Supplier 提供者 无中生有         () -> 结果 </p>
     * <p> Function  函数  一个参数一个结果 (参数) -> 结果  | BiFunction (参数1，参数2) -> 结果 </p>
     * <p> Consumer 消费者 一个参数没有结果 (参数) -> Void  | BiConsumer (参数1，参数2) -> Void </p>
     */
    private static <T> void demo(Supplier<T> arraySupplier, Function<T, Integer> lengthFunction,
            BiConsumer<T, Integer> putConsumer, Consumer<T> printConsumer) {
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        T array = arraySupplier.get();
        int length = lengthFunction.apply(array);

        for (int i = 0; i < length; i++) {
            list.add(new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) { // 正确结果应该是数组元素都为10000
                    putConsumer.accept(array, j % length);
                }
            }));
        }

        list.forEach(Thread::start);
        list.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        printConsumer.accept(array);
    }
}

运行结果：

1
2

2021-04-27 21:09:01.160 [main] DEBUG AtomicArray - 普通数组：[6531, 6533, 6501, 6566, 6515, 6508, 6499, 6519, 6489, 6527]
2021-04-27 21:09:01.166 [main] DEBUG AtomicArray - 安全数组：[10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000, 10000]

4.6 字段更新器

JUC提供如下字段更新器：

AtomicReferenceFeildUpdater：引用类型的属性
AtomicIntegerFieldUpdater：整形的属性
AtomicLongFeildUpdater：长整形的属性

注意：利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合volatile修饰的字段使用，否则会出现异常。

1	Exception in thread "main" java.lang.IllegalArgumentException: Must be volatile type

示例：

@Slf4j(topic = "AtomicFieldUpdater")
public class AtomicFieldUpdaterDemo {
    public static void main(String[] args) {
        Student stu = new Student();
        AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
        log.debug("update ? {}", updater.compareAndSet(stu, null, "RubbishK"));
        log.debug("update ? {}", updater.compareAndSet(stu, stu.getName(), "FlowerK"));
        log.debug(stu.toString());
    }
}

class Student {
    volatile String name;

    public String getName() { return name; }

    @Override
    public String toString() { return "Student[name='" + name + "']"; }
}

运行结果：

1
2
3

2021-04-27 21:36:51.784 [main] DEBUG AtomicFieldUpdater - update ? true
2021-04-27 21:36:51.786 [main] DEBUG AtomicFieldUpdater - update ? true
2021-04-27 21:36:51.786 [main] DEBUG AtomicFieldUpdater - Student[name='FlowerK']

4.7 原子累加器

JUC提供如下原子累加器：

LongAddr
LongAccumulator
DouleAddr
DoubleAccumulator

4.7.1 累加性能比较

累加性能比较AtomicLong，LongAddr

@Slf4j(topic = "Compare")
public class PerformanceCompareDemo {
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(AtomicLong::new, AtomicLong::getAndIncrement);
        }
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            demo(LongAdder::new, LongAdder::increment);
        }
    }

    private static <T> void demo(Supplier<T> supplier, Consumer<T> consumer) {
        T adder = supplier.get();
        long start = System.nanoTime();
        List<Thread> list = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 40; i++) {
            list.add(new Thread(() -> {
                for (int k = 0; k < 50_0000; k++) {
                    consumer.accept(adder);
                }
            }));
        }
        list.forEach(Thread::start);
        list.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        log.debug("{} cost: {}(ns)", adder.getClass().getSimpleName(), (end - start));
    }
}

运行结果：

2021-04-27 22:34:29.842 [main] DEBUG Compare - AtomicLong cost: 363865900(ns)
2021-04-27 22:34:30.176 [main] DEBUG Compare - AtomicLong cost: 331326300(ns)
2021-04-27 22:34:30.565 [main] DEBUG Compare - AtomicLong cost: 388361700(ns)
2021-04-27 22:34:30.961 [main] DEBUG Compare - AtomicLong cost: 396090500(ns)
2021-04-27 22:34:31.349 [main] DEBUG Compare - AtomicLong cost: 386800900(ns)
2021-04-27 22:34:31.404 [main] DEBUG Compare - LongAdder cost: 53539000(ns)
2021-04-27 22:34:31.438 [main] DEBUG Compare - LongAdder cost: 33946400(ns)
2021-04-27 22:34:31.479 [main] DEBUG Compare - LongAdder cost: 40203000(ns)
2021-04-27 22:34:31.511 [main] DEBUG Compare - LongAdder cost: 32314300(ns)
2021-04-27 22:34:31.546 [main] DEBUG Compare - LongAdder cost: 34245400(ns)

可以发现，LongAddr的速度要比AtomicLong高出一个数量级。

4.7.2 LongAdder源码分析

先贴一下前辈的主页：http://gee.cs.oswego.edu

作为并发大师@Doug lea 的作品LongAdder，它的设计非常精巧。

LongAdder类有几个关键域：

// 累加单元数组，懒惰初始化
transient volatile Cell[] cells;

// 基础值，如果没有竞争，则用CAS累加这个域
transient volatile long base;

// 在cells创建或者扩容时，置为1，表示加锁
transient volatile int cellsBusy;

4.7.2.1 CAS锁

切勿使用生产环境。

@Slf4j(topic = "LockCAS")
public class LockCASDemo {
    // 0表示没加锁
    // 1表示加了锁
    private final AtomicInteger state = new AtomicInteger(0);

    private void lock() {
        while (true) {
            if (state.compareAndSet(0, 1)) {
                break;
            }
        }
    }

    public void unlock() {
        log.debug("unlock...");
        state.set(0);
    }
}

4.7.2.1 原理之伪共享

Cell即为累加单元。

// 防止缓存行伪共享（一个缓存行容纳多个Cell对象）
@Sun.misc.Contented
static final class Cell {
    volatile long value;
    Cell(long x) { value = x; }
    
    // 最重要的方法，用CAS方式进行累加，prev表示旧值，next表示新值
    final boolean cas(long prev, long next) {
        return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
    }
    // ...
}

从缓存说起，缓存与内存的速度比较：

从CPU到	大约需要的时钟周期
寄存器	1 cycle（4GHz的CPU约为0.25ns）
L1	3~4 cycle
L2	10~20 cycle
L3	40~45 cycle
内存	120~240 cycle

因为CPU与内存的速度差异很大，需要靠预读数据至缓存来提升效率。

而缓存以缓存行为单位，每个缓存对应着一块内存，一般是64 byte（8个long）。

缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中。

CPU要保证数据的一致性，如果某个CPU核心更改了数据，其他CPU核心对应的整个缓存行必须失效。

因为Cell是数组形式，在内存中是连续存储的，一个Cell为24字节（16字节的对象头和8字节的value），因此缓存行可以存下2个的Cell对象。这样问题来了；

Core-0要修改Cell[0]
Core-1要修改Cell[1]

无论谁修改成功，都会导致对方Core的缓存行失效，比如Core-0中Cell[0] = 6000，Cell[1] = 8000。要累加Cell[0] = 6001，Cell[1] = 8000，这时会让Core-1缓存行失效。

@sun.misc.Contented用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加128字节大小的padding，从而让CPU将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效。

4.7.2.2 主要方法

add方法：

public void add(long x) {
    Cell[] as; long b, v; int m; Cell a;
    if ((as = cells) != null         /* cells是否为空 */ 
        || !casBase(b = base, b + x) /* cas base累加，成功则不会进入if代码块 */) {
        boolean uncontended = true;
        if (as == null || (m = as.length - 1) < 0 ||
            (a = as[getProbe() & m]) == null || /* 当前线程cell是否创建 */
            !(uncontended = a.cas(v = a.value, v + x))) /* cas base累加，失败则进入 */
            longAccumulate(x, null, uncontended);
    }
}

longAccumulate方法：

final void longAccumulate(long x, LongBinaryOperator fn,
                          boolean wasUncontended) {
    int h;
    if ((h = getProbe()) == 0) {
        ThreadLocalRandom.current(); // force initialization
        h = getProbe();
        wasUncontended = true;
    }
    boolean collide = false;                // True if last slot nonempty
    for (;;) { // 不断尝试
        Cell[] as; Cell a; int n; long v;
        if ((as = cells) != null && (n = as.length) > 0) {
            // （1）cells已创建，Cell未创建
            if ((a = as[(n - 1) & h]) == null) {
                if (cellsBusy == 0) {       // 尝试获取cells数组
                    Cell r = new Cell(x);   // 乐观创建Cell对象
                    if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                        // 当前无人上锁，自己尝试上锁
                        boolean created = false;  // 是否已创建
                        try {               // Recheck under lock
                            Cell[] rs; int m, j;
                            if ((rs = cells) != null &&
                                (m = rs.length) > 0 &&
                                rs[j = (m - 1) & h] == null) {
                                // 再次检查数组数组不为空且长度大于0
                                // 且数组中空置的槽位为空
                                rs[j] = r;  // 将创建的新的Cell对象填充到数组的空槽位
                                created = true;
                            }
                        } finally {
                            cellsBusy = 0;  // 释放锁
                        }
                        if (created)
                            break;          // 创建成功则退出循环
                        continue;           // Slot is now non-empty
                    }
                }
                collide = false;
            }
            // （2）cells已创建。Cell已创建
            else if (!wasUncontended)       // CAS already known to fail
                wasUncontended = true;      // Continue after rehash
            else if (a.cas(v = a.value, ((fn == null) ? v + x :
                                         fn.applyAsLong(v, x))))
                // 对累加单元a进行CAS+x，操作成功则退出
                break;
            else if (n >= NCPU || cells != as)
                // 检查当前n是否超过机器的CPU上限
                collide = false;            // At max size or stale
            else if (!collide)  
                // 上个条件匹配之后，下次循环就走这个判断，不会进入下面的扩容逻辑
                collide = true;
            else if (cellsBusy == 0 && casCellsBusy()) {
                // 扩容
                try {
                    if (cells == as) {      // Expand table unless stale
                        Cell[] rs = new Cell[n << 1];  // 左移一位，扩容两倍
                        for (int i = 0; i < n; ++i)
                            rs[i] = as[i];  // 将旧数组拷贝到新数组
                        cells = rs;         // 替换cells
                    }
                } finally {
                    cellsBusy = 0;
                }
                collide = false;
                continue;                   // Retry with expanded table
            }
            h = advanceProbe(h);  // 以上条件均不匹配，改变线程对应的cell对象
        }
        else if (cellsBusy == 0 && cells == as && casCellsBusy()) {
            // （3）cells数组未创建，三个条件如下
            // cellsBusy是标记位，0代表未加锁，1代表已加锁
            // cells == as代表没有其他线程改变cells数组，as是第一次if判断读取到的数组引用
            // casCellsBusy()这个方法的作用就是尝试通过CAS将cellsBusy从0改为1，成功说明加锁成功
            boolean init = false;             // 是否初始化
            try {                             // Initialize table
                if (cells == as) {            // 再次判断是否有其他线程修改了cells
                    Cell[] rs = new Cell[2];  // 初始大小为2
                    rs[h & 1] = new Cell(x);  // 赋初始值1
                    cells = rs;               // 将刚刚创建的数组赋值给成员变量
                    init = true;              
                }
            } finally {
                cellsBusy = 0;                // 将标记位设为0，代表解锁
            }
            if (init)                         // 初始化成功则退出循环
                break;                           
        }
        else if (casBase(v = base, ((fn == null) ? v + x :
                                    fn.applyAsLong(v, x))))
            // 加锁失败，进行cas base累加，成功则break，失败则继续循环
            break;                          // Fall back on using base
    }
}

sum方法：

public long sum() {
    Cell[] as = cells; Cell a;
    long sum = base;
    if (as != null) { // 判空
        for (int i = 0; i < as.length; ++i) {
            if ((a = as[i]) != null) // 对每个元素判空
                sum += a.value;      // 累加每个单元值
        }
    }
    return sum;
}

4.8 Unsafe

4.8.1 概述

Unsafe对象提供了非常底层的，操作内存、线程的办法，Unsafe对象不能直接调用，只能通过反射获得：

public class UnsafeAccessor {
    private static Unsafe unsafe;

    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    static Unsafe getUnsafe() {
        return unsafe;
    }
}

4.8.2 CAS操作

public class UnsafeDemo {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException {
        Unsafe unsafe = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        Field id = User.class.getDeclaredField("id");
        Field name = User.class.getDeclaredField("name");
        // 获得域的偏移地址
        long idOffset = unsafe.objectFieldOffset(id);
        long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(name);
        // 使用CAS方法替换成员变量
        User user = new User();
        unsafe.compareAndSwapInt(user, idOffset, 0, 1);
        unsafe.compareAndSwapObject(user, nameOffset, null, "KHighness");
        System.out.println(user);
    }
}

class User {
    volatile int id;
    volatile String name;

    public int getId() { return id; }

    public void setId(int id) { this.id = id; }

    public String getName() { return name; }

    public void setName(String name) { this.name = name; }

    @Override
    public String toString() {
        return "User[" +
                "id=" + id +
                ", name='" + name + '\'' +
                ']';
    }
}

运行结果：

1	User[id=1, name='KHighness']

4.8.3 自定义原子实现类

使用自定义的AtomicData实现之前线程安全的原子整数Account实现：

class KAtomicInteger implements Account{
    private volatile int value;
    private static long valueOffset;
    private static final Unsafe UNSAFE;

    static {
        UNSAFE = UnsafeAccessor.getUnsafe();
        try {
            valueOffset = UNSAFE.objectFieldOffset(KAtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public KAtomicInteger(int value) {
        this.value = value;
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

    public void decrement(int amount) {
        while (true) {
            int prev = this.value;
            int next = prev - amount;
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this, valueOffset, prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }

    @Override
    public Integer geBalance() {
        return getValue();
    }

    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        decrement(amount);
    }
}