java原子操作CAS

　　本次內(nèi)容主要講原子操作的概念、原子操作的實(shí)現(xiàn)方式、CAS的使用、原理、3大問題及其解決方案，最后還講到了JDK中經(jīng)常使用到的原子操作類。

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1、什么是原子操作？


?　　所謂原子操作是指不會(huì)被線程調(diào)度機(jī)制打斷的操作，這種操作一旦開始，就一直運(yùn)行到結(jié)束，中間不會(huì)有任何線程上下文切換。原子操作可以是一個(gè)步驟，也可以是多個(gè)操作步驟，但是其順序不可以被打亂，也不可以被切割而只執(zhí)行其中的一部分。我們常用的i++看起來(lái)雖然簡(jiǎn)單，但這并不是一個(gè)原子操作，具體原理后面單獨(dú)介紹。
假定有兩個(gè)操作A和B，如果從執(zhí)行A的線程來(lái)看，當(dāng)另一個(gè)線程執(zhí)行B時(shí)，要么將B全部執(zhí)行完，要么完全不執(zhí)行B，那么A和B對(duì)彼此來(lái)說(shuō)是原子的。
將整個(gè)操作視作一個(gè)整體是原子性的核心特征。

2、如何實(shí)現(xiàn)原子操作？

2.1 鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)原子操作及其問題

實(shí)現(xiàn)原子操作可以使用鎖。鎖機(jī)制滿足基本的需求是沒有問題的，但是有的時(shí)候我們的需求并非這么簡(jiǎn)單，我們需要更有效，更加靈活的機(jī)制。synchronized
關(guān)鍵字是基于阻塞的鎖機(jī)制，也就是說(shuō)當(dāng)一個(gè)線程擁有鎖的時(shí)候，訪問同一資源的其它線程需要等待，直到該線程釋放鎖。使用synchronized關(guān)鍵字存在這樣的問題：

（1）如果被阻塞的線程優(yōu)先級(jí)很高很重要怎么辦？

（2）如果獲得鎖的線程一直不釋放鎖怎么辦？

（3）如果有大量的線程來(lái)競(jìng)爭(zhēng)資源，那CPU將會(huì)花費(fèi)大量的時(shí)間和資源來(lái)處理這些競(jìng)爭(zhēng)，同時(shí)，還有可能出現(xiàn)一些例如死鎖之類的情況。

使用鎖機(jī)制是一種比較粗糙、粒度比較大的機(jī)制，我們可以想象多個(gè)線程操作同一個(gè)計(jì)數(shù)器的業(yè)務(wù)場(chǎng)景，使用鎖機(jī)制的話顯得太過笨重。

2.2 CAS機(jī)制

　　實(shí)現(xiàn)原子操作還可以使用當(dāng)前的處理器基本都支持CAS(Compare And Swap)
的指令，CPU指令集上提供了CAS操作相關(guān)指令，實(shí)現(xiàn)原子操作可以使用這些指令。每一個(gè)CAS操作過程都包含3個(gè)運(yùn)算參數(shù)：一個(gè)內(nèi)存地址V，一個(gè)期望的值A(chǔ)和一個(gè)新值
B，操作的時(shí)候如果這個(gè)地址上存放的值等于這個(gè)期望的值A(chǔ)，則將地址上的值賦為新值B，否則不做任何操作。

2.3 CAS使用

　　先來(lái)模擬一個(gè)多個(gè)線程操作同一個(gè)計(jì)數(shù)器的場(chǎng)景，JDK中提供了boolean、int和long基本類型對(duì)應(yīng)的原子包裝類AtomicBoolean、
AtomicInteger和AtomicLong。我們用AtomicInteger演示，通過
CountDownLatch進(jìn)行并發(fā)模擬，如果對(duì)CountDownLatch用法不了解，歡迎查看上一篇文章，有通俗易懂的例子。先對(duì)AtomicInteger的主要API做一個(gè)介紹：

（1）int addAndGet（int delta）：以原子方式將輸入的數(shù)值與實(shí)例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回結(jié)果。

（2）boolean compareAndSet（int expect，int
update）：如果當(dāng)前數(shù)值等于expect，則以原子方式將當(dāng)前值設(shè)置為update。

（3）int getAndIncrement()：以原子方式將當(dāng)前值加1，注意，這里返回的是自增前的值。

（4）int getAndSet（int newValue）：以原子方式設(shè)置為newValue的值，并返回舊值。
import java.util.concurrent.CountDownLatch; import
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;public class AtomicIntegerDemo {
static AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0); static CountDownLatch
countDownLatch =new CountDownLatch(20); static class CounterThread implements
Runnable { @Overridepublic void run() { try { countDownLatch.await(); } catch
(InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } counter.getAndIncrement(); } }
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { for (int i
= 0; i < 20; i++) { Runnable thread = new CounterThread(); new
Thread(thread).start(); countDownLatch.countDown(); } Thread.sleep(2000); //
保證子線程全部執(zhí)行完成 System.out.println("20個(gè)線程并發(fā)執(zhí)行g(shù)etAndIncrement()方法后的結(jié)果：" +
counter.get()); counter.compareAndSet(20, 18);//如果counter當(dāng)前數(shù)值為20，則以原子方式更新為18
System.out.println("compareAndSet(20, 18)后的結(jié)果：" + counter.get()); } }
程序中模擬了20個(gè)線程并發(fā)對(duì)一個(gè)計(jì)數(shù)器進(jìn)行自增操作，結(jié)果輸出為20，可以看到這段代碼并沒有用任何的鎖，也達(dá)到了原子操作目的。



2.4 CAS原理

　　CAS的基本思路就是，如果內(nèi)存地址V上的值和期望的值A(chǔ)相等，則給其賦予新值B，否則不做任何事兒。CAS就是在一個(gè)循環(huán)里不斷的做CAS操作，直到成功為止。
CAS是怎么實(shí)現(xiàn)線程的安全呢？語(yǔ)言層面不做處理，JDK 調(diào)用這些指令來(lái)完成CAS操作，本質(zhì)上就是將其交給CPU和內(nèi)存，利用CPU
的多處理能力，實(shí)現(xiàn)硬件層面的阻塞，再加上volatile變量的特性即可實(shí)現(xiàn)基于原子操作的線程安全。用一張圖來(lái)說(shuō)明。




3、CAS實(shí)現(xiàn)原子操作的三大問題

?3.1 ABA問題


　　因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候，檢查值有沒有發(fā)生變化，如果沒有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。舉個(gè)通俗易懂的例子，我的同事老王今年35歲了，還沒有女朋友，我問他有什么要求，給他介紹一個(gè)女朋友。老王就說(shuō)了，只要是沒有結(jié)婚、35歲以下的女的就行。于是我就給他介紹了一個(gè)28歲，剛剛離婚不久的女同志，他還感謝了我好久，可能是他現(xiàn)在都還不知道他這個(gè)女朋友離過婚。這就是典型的ABA問題，只關(guān)心當(dāng)前狀態(tài)，而不管中間經(jīng)歷了什么。ABA問題的解決思路就是使用版本號(hào)。給變量追加一個(gè)版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加1，那么A→B→A就會(huì)變成1A→2B→3A。就好比老王的要求改成：35歲以下，沒有結(jié)婚并且離婚次數(shù)為0的女性，就不會(huì)發(fā)生剛剛的事情了。


?3.2?循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大。

?　　CAS自旋如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開銷。

3.3?只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

　　
當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖。怎么解決這個(gè)問題呢？
從Java 1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，就可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。

4、JDK中相關(guān)原子操作類

4.1?AtomicReference

　
　AtomicReference，可以原子更新的對(duì)象引用。AtomicReference有一個(gè)compareAndSet()方法，它可以將已持有引用與預(yù)期引用進(jìn)行比較，如果它們相等，則在AtomicReference對(duì)象內(nèi)設(shè)置一個(gè)新的引用。看一段代碼：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference; public class
AtomicReferenceDemo {static AtomicReference<UserInfo> atomicReference; public
static void main(String[] args) { //原引用 UserInfo oldUser = new UserInfo("老王", 35
); atomicReference= new AtomicReference<>(oldUser); //新引用 UserInfo updateUser =
new UserInfo("小宋", 21); atomicReference.compareAndSet(oldUser, updateUser);
System.out.println("使用compareAndSet()替換原有引用后的結(jié)果：" + atomicReference.get());
System.out.println("原引用：" + oldUser); } static class UserInfo { private String
name;private int age; public UserInfo(String name, int age) { this.name = name;
this.age = age; } public String getName() { return name; } public int getAge() {
return age; } public void setName(String name) { this.name = name; } public void
setAge(int age) { this.age = age; } @Override public String toString() { return
"UserInfo{" + "name='" + name + '\'' + ", age=" + age + '}'; } } }
從程序輸出可以看到，atomicReference的持有的引用被修改了，但是原引用對(duì)象并沒有發(fā)生改變。

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4.2?AtomicStampedReference

?　　AtomicStampedReference，利用版本戳的形式記錄了每次改變以后的版本號(hào)，這樣的話就不會(huì)存在ABA問題了。
AtomicStampedReference有一個(gè)內(nèi)部類Pair，使用Pair的int stamp作為計(jì)數(shù)器使用，看下Pair的源碼：
private static class Pair<T> { final T reference; final int stamp; private
Pair(T reference,int stamp) { this.reference = reference; this.stamp = stamp; }
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) { return new Pair<T>(reference,
stamp); } }
還是老王那個(gè)例子，如果使用AtomicStampedReference的話，老王更關(guān)心的是介紹的女朋友離過幾次婚。用一段代碼來(lái)模擬給老王介紹女朋友的場(chǎng)景：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference; public class
AtomicStampedReferenceDemo {static AtomicStampedReference<String> asr = new
AtomicStampedReference("介紹的女朋友", 0); public static void main(String[] args)
throws InterruptedException { final String oldReference = asr.getReference();//
初始值，表示介紹的女朋友 final int oldStamp = asr.getStamp();//初始版本0，表示介紹的女朋友沒有離過婚 Thread
thread1= new Thread(() -> { String newReference = oldReference + " 離婚1次";
boolean first = asr.compareAndSet(oldReference, newReference, oldStamp, oldStamp
+ 1); if (first) { System.out.println("介紹的女朋友第一次離婚。。。"); } boolean second =
asr.compareAndSet(newReference, oldReference + "又離婚了", oldStamp + 1, oldStamp +
2); if (second) { System.out.println("介紹的女朋友第二次離婚。。。"); } }, "介紹的女朋友離婚");
Thread thread2= new Thread(() -> { String reference = asr.getReference();//
介紹的女朋友最新狀態(tài)//判斷介紹的女朋友最新狀態(tài)是否符合老王的要求 boolean flag = asr.compareAndSet(reference,
reference + "沒有離過婚", oldStamp, oldStamp + 1); if (flag) { System.out.println(
"老王笑嘻嘻地對(duì)我說(shuō)，介紹的女朋友符合我的要求"); } else { System.out.println("老王拳頭緊握地對(duì)我說(shuō)，介紹的女朋友居然離過"
+ asr.getStamp() + "次婚,不符合我要求！?。?！"); } }, "老王相親"); thread1.start();
thread1.join(); thread2.start(); thread2.join(); } }
?啟動(dòng)2個(gè)子線程，分別代表介紹的女朋友多次離婚以及老王相親的場(chǎng)景。從程序輸出可以看到，介紹的女朋友不符合老王的要求，老王為了避免喜當(dāng)?shù)?，果斷拒絕了。



?老王判斷的依據(jù)是，介紹的女朋友應(yīng)該是沒有離過婚，stamp值等于0才對(duì)。但是老王仔細(xì)一看，stamp已經(jīng)是2，不符合我的要求，不能要。



4.3?AtomicMarkableReference

?　　
AtomicMarkableReference，可以原子更新一個(gè)布爾類型的標(biāo)記位和引用類型。構(gòu)造方法是AtomicMarkableReference（V
initialRef，booleaninitialMark）。AtomicMarkableReference也有一個(gè)內(nèi)部類Pair，使用Pair的boolean
?
mark來(lái)標(biāo)記狀態(tài)。還是老王那個(gè)例子，使用AtomicStampedReference可能關(guān)心的是離婚次數(shù)，AtomicMarkableReference關(guān)心的是有沒有離過婚。用一段代碼來(lái)模擬：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicMarkableReference; public class
AtomicMarkableReferenceDemo {static AtomicMarkableReference markableReference;
public static void main(String[] args) throws InterruptedException { String girl
= "介紹的女朋友"; markableReference = new AtomicMarkableReference(girl, false);
Thread t1= new Thread(() -> { markableReference.compareAndSet(girl, girl + "離婚",
false, true); System.out.println(markableReference.getReference()); },
"介紹的女朋友離婚了"); Thread t2 = new Thread(() -> { //老王檢查標(biāo)記，只關(guān)心這個(gè)標(biāo)志位 boolean marked =
markableReference.isMarked();if (marked) { System.out.println(
"你給我介紹的女朋友離過婚，我不要！！"); } else { System.out.println("兄弟，大兄弟，親生兄弟啊??！這個(gè)女朋友我要了"); }
},"老王鑒定介紹的女朋友有沒有離過婚"); t1.start(); t1.join(); t2.start(); t2.join(); } }
程序輸出可以看到，老王還是堅(jiān)持了自己的原則。



4.4?AtomicIntegerArray

?　　AtomicIntegerArray，元素可以原子更新的數(shù)組。其常用方法如下：

（1）int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式將輸入值與數(shù)組中索引i的元素相加。

（2）boolean compareAndSet（int i，int expect，int
update）：如果當(dāng)前值等于預(yù)期值，則以原子方式將數(shù)組位置i的元素設(shè)置成update值。


需要注意的是，數(shù)組value通過構(gòu)造方法傳遞進(jìn)去，然后AtomicIntegerArray會(huì)將當(dāng)前數(shù)組復(fù)制一份，所以當(dāng)AtomicIntegerArray對(duì)內(nèi)部的數(shù)組元素進(jìn)行修改時(shí)，不會(huì)影響傳入的數(shù)組。

用法比較簡(jiǎn)單，看一個(gè)例子：
public class AtomicIntegerArrayDemo { static int[] value = new int[]{1, 2};//
原始數(shù)組 static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new
AtomicIntegerArray(value);public static void main(String[] args) {
atomicIntegerArray.getAndSet(0, 3); System.out.println(
"atomicIntegerArray的第一個(gè)元素：" + atomicIntegerArray.get(0)); System.out.println(
"原始數(shù)組的第一個(gè)元素：" + value[0]);//原數(shù)組不會(huì)變化 } }
程序輸出可以看到，原始數(shù)組并沒有受到影響。



?順便看一下AtomicIntegerArray的構(gòu)造方法：
public AtomicIntegerArray(int[] array) { // Visibility guaranteed by final
field guarantees this.array = array.clone(); }
?5、結(jié)語(yǔ)

　　文中例子純屬虛構(gòu)，便于對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解，不摻雜任何其他意思。下一篇內(nèi)容中會(huì)介紹Java的顯示鎖Lock相關(guān)知識(shí)點(diǎn)，閱讀過程中如發(fā)現(xiàn)描述有誤，請(qǐng)指出，謝謝。


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