AtomicInteger的实现原理

AtomicInteger：使用非阻塞算法（无锁定无等待）实现并发控制，相比synchronized和Lock（阻塞算法）实现，更加高效

一、硬件同步原语：比较并交换 (CAS)
CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。（在 CAS 的一些特殊情况下将仅返回 CAS 是否成功，而不提取当前值。）CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”

通常将 CAS 用于同步的方式是从地址 V 读取值 A，执行多步计算来获得新值 B，然后使用 CAS 将 V 的值从 A 改为 B。如果 V 处的值尚未同时更改，则 CAS 操作成功。类似于 CAS 的指令允许算法执行读-修改-写操作，而无需害怕其他线程同时修改变量，因为如果其他线程修改变量，那么 CAS 会检测它（并失败），算法可以对该操作重新计算。

public class SimulatedCAS {
     private int value;
 
     public synchronized int getValue() { return value; }
 
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
         int oldValue = value;
         if (value == expectedValue)
             value = newValue;
         return oldValue;
     }
}

代码说明了 CAS 操作的行为（而不是性能特征）---也就是说底层不是这样实现的，只是描述流程，但是 CAS 的价值是它可以在硬件中实现，并且是极轻量级的（在大多数处理器中）。

二、使用 CAS 实现计数器
基于 CAS 的并发算法称为无锁定算法，因为线程不必再等待锁定（有时称为互斥或关键部分，这取决于线程平台的术语）。无论 CAS 操作成功还是失败，在任何一种情况中，它都在可预知的时间内完成。如果 CAS 失败，调用者可以重试 CAS 操作或采取其他适合的操作。

使用比较并交换实现计数器
public class CasCounter {
    private SimulatedCAS value;
    public int getValue() {
        return value.getValue();
    }
    public int increment() {
        int oldValue = value.getValue();
        while (value.compareAndSwap(oldValue, oldValue + 1) != oldValue)
            oldValue = value.getValue();
        return oldValue + 1;
    }
}

程序显示了重新编写的计数器类来使用 CAS 替代锁定

三、无锁定且无等待算法
如果每个线程在其他线程任意延迟（或甚至失败）时都将持续进行操作，就可以说该算法是无等待的。与此形成对比的是，无锁定算法要求仅某个线程总是执行操作。（无等待的另一种定义是保证每个线程在其有限的步骤中正确计算自己的操作，
而不管其他线程的操作、计时、交叉或速度。这一限制可以是系统中线程数的函数；例如，如果有 10 个线程，每个线程都执行一次 CasCounter.increment() 操作，最坏的情况下，每个线程将必须重试最多九次，才能完成增加。）

再过去的 15 年里，人们已经对无等待且无锁定算法（也称为无阻塞算法）进行了大量研究，许多人通用数据结构已经发现了无阻塞算法。无阻塞算法被广泛用于操作系统和 JVM 级别，进行诸如线程和进程调度等任务。虽然它们的实现比较复杂，但相对于基于锁定的备选算法，它们有许多优点：可以避免优先级倒置和死锁等危险，竞争比较便宜，协调发生在更细的粒度级别，允许更高程度的并行机制等等。

四、原子变量类
在 JDK 5.0 之前，如果不使用本机代码，就不能用 Java 语言编写无等待、无锁定的算法。在 java.util.concurrent.atomic 包中添加原子变量类之后，这种情况才发生了改变。所有原子变量类都公开比较并设置原语（与比较并交换类似），这些原语都是使用平台上可用的最快本机结构（比较并交换、加载链接/条件存储，最坏的情况下是旋转锁）来实现的。java.util.concurrent.atomic 包中提供了原子变量的 9 种风格（ AtomicInteger； AtomicLong； AtomicReference； AtomicBoolean；原子整型；长型；引用；及原子标记引用和戳记引用类的数组形式，其原子地更新一对值）。

原子变量类可以认为是 volatile 变量的泛化，它扩展了可变变量的概念，来支持原子条件的比较并设置更新。读取和写入原子变量与读取和写入对可变变量的访问具有相同的存取语义。虽然原子变量类表面看起来与 Synchronized实现的计数器Counter 一样，但相似仅是表面的。在表面之下，原子变量的操作会变为平台提供的用于并发访问的硬件原语，比如比较并交换。

更细粒度意味着更轻量级调整具有竞争的并发应用程序的可伸缩性的通用技术是降低使用的锁定对象的粒度，希望更多的锁定请求从竞争变为不竞争。从锁定转换为原子变量可以获得相同的结果，通过切换为更细粒度的协调机制，竞争的操作就更少，从而提高了吞吐量。

五、java底层实现CAS

如果预期的值和旧值相等则把旧的值更新为新的值，返回true
如果预期的值和旧值不相等，则返回false
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
备注：Unsafe类可以直接对内存进行操作，能够通过硬件同步原语CAS保证操作的原子性

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

AtomicInteger的 jdk1.7实现的主要七个方法：

1、设置新的值返回旧的值（通过自旋实现）
	public final int getAndSet(int newValue) {
        for (;;) {
            int current = get();
            if (compareAndSet(current, newValue))
                return current;
        }
    }
	
	2、自加1返回旧值
	public final int getAndIncrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
	
	3、自减1返回旧值
	public final int getAndDecrement() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current - 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
	
	4、自加指定值返回旧值
	public final int getAndAdd(int delta) {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + delta;
            if (compareAndSet(current, next))
                return current;
        }
    }
	
	5、自加1返回新值
	public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }
	 
	6、自减1返回新值
	public final int decrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current - 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }
	
	7、自加指定值返回新值
	public final int addAndGet(int delta) {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + delta;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

AtomicInteger在jdk1.8对应上面的七个主要方法新的实现：

public final int getAndSet(int newValue) {
        return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
    }
	
	public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    }
	
	public final int getAndDecrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
    }
	
	public final int getAndAdd(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
	public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }
	public final int decrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1) - 1;
    }
	public final int addAndGet(int delta) {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;
    }

其实上面的这些方法是在compareAndSwapInt（）外面包了一层，如：

 public final int getAndSetInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var4));

        return var5;
    }

参考：

https://www.ibm.com/developerworks/cn/java/j-jtp11234/
https://www.jianshu.com/p/509aca840f6d

AtomicInteger的实现原理

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