十二、Java高级特性（CAS基本原理）

一、什么是原子操作？如何实现原子操作？

如果有两个操作A和B，分别有两个不同的线程执行。从A所在线程来看，执行B的线程执行B的时候要么将B执行完毕，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。

1、实现原子操作可以用锁

锁机制基本满足了需求是没有问题的。但是有时候我们需要更加有效，更加灵活，synchronized关键字是基于阻塞的锁机制。也就是说当有一个线程拥有锁的时候，访问同一个资源的其他线程必须处于等待状态。直到该线程释放锁。
这就会有一个问题：假如被阻塞的线程优先级很高怎么办？其次就是获得锁的线程一直不释放锁怎么办？还有就是如果有大量的线程来竞争资源，那么CPU要花大量的时间和资源来处理这些竞争。同时还可能出现死锁的情况。锁是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，对于一些像计数器这样的需求，就显得比较笨重。

2、实现原子操作还可以使用现代CPU支持的CAS指令

每一个CAS包含了三个运算符：
（1）内存地址V
（2）期望值A
（3）新值B

CAS举例

现在我们有3个线程要对一个共享变量i实现+1的操作，理论上三个线程+1完最后的结果是3。我们可以使用synchronized锁的机制来实现，同时也可以使用更加轻量的CAS指令实现。
下面我们介绍其原理：如下图

image.png

（1）三个线程都是都可以进行i++，不需要阻塞等待，但是+1的时候并没有真正的写入内存。每个线程i++完之后，各自的i都是1。
（2）进入图中的compare swap操作，比较和交换，这个操作属于原子操作。即要么全部执行，要么不执行，因此在这每次只有一个线程执行或者不执行。假如三个线程分别为A 、B、C。A线程进入原子操作比较和交换的时候，i的内存地址是V，期望值是i= 0，新值是i= 1。如果比较的时候i确实等于0，那么进行交换，将i = 1，写入内存，A线程原子操作完毕。B线程也一样，i的内存地址是V，期望值是i= 0，新值是i= 1。此时B线程进行原子操作比较交换的时候发现i= 1，自己的期望值是0。他们俩不相等，因此从新来一次，将期望值置为1，新值i= 1+1 =2。在进行原子操作比较和交换，这个时候如果C线程没有经过原子操作修改过i的值，那么此时B线程原子操作比较交换的时候，内存地址V中i的值是1，B的期望值是1，新值是2。内存V中地址的值和期望值一样，因此交换。把新值i= 2写入内存地址V中。当C线程进来的是也是一样的道理。在原子操作的时候，当原子操作比较交换的时候，内存V中的值和期望值不一样，那么再来一次，将期望值修改。这个操作称为自旋。

二、实现原子操作的三大问题

1、ABA问题

因为CAS需要在操作值的时候，检查内存V中的值和自己的期望值是否相等，如果相等，则将新值写入内存。但是并不知道内存V中的值中间是否发生了变化，例如当一个线程的期望值是A，但是内存地址V中的值，经过其他线程从A改成B，从B又改成A。当该线程进行CAS原子操作的时候，发现内存地址V中的值是A，和自己的期望值相等，那么就直接将新值写入到内存。然而它并不知道其实值已经经过多次的变化。
那么如果对于需要知道A是否被更改过的要求，就会产生问题。解决这一问题，可以加一个版本号。也就是每次更改内存V中的值的时候，把版本号+1。通过拿到版本号就可以知道是否被更改过。

2、循环时间过长，开销大。

自旋CAS如果时间太长，会给CPU带来大的执行开销。

3、只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。
从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作

三、Jdk中相关原子操作类的使用

• int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。
• boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。
• int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
• int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
• AtomicIntegerArray
  主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。
• int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。
• boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。
  需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。
• 更新引用类型
  原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。
• AtomicReference
• 原子更新引用类型。
• AtomicStampedReference
  利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在ABA问题了。这就是AtomicStampedReference的解决方案。AtomicMarkableReference跟AtomicStampedReference差不多， AtomicStampedReference是使用pair的int stamp作为计数器使用，AtomicMarkableReference的pair使用的是boolean mark。 还是那个水的例子，AtomicStampedReference可能关心的是动过几次，AtomicMarkableReference关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。
• AtomicMarkableReference：
  原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。

四、AtomicInteger的使用举例

package com.it.test.thread.consumer_product.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 基本类型的原子操作
 */
public class CasTest {
    static AtomicInteger atomicInteger  = new AtomicInteger(10);
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());//i++
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {

                System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());//++i
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println( atomicInteger.getAndAdd(24));//i++
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(atomicInteger.addAndGet(30));//++i
            }
        }.start();




    }
}

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12
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