六、原子操作CAS

2019-10-11 本文已影响0人一直想上树的猪

一、什么是原子操作？如何实现原子操作？

CAS:Compare And Swap,比较并且交换。隶属于乐观锁机制。
什么是原子操作？
假设现在有A，B两个操作，如果某个线程执行A操作，当另外一个线程执行B操作的时候，要么这个B全部执行完，要么这个B完全不执行，那么对于A、B来讲，他们彼此就是原子的。
在数据库层面，这种操作就是事务操作，严格意义上来说事务操作也是属于原子操作的一种。
如何实现原子操作
可以利用synchronize关键字，但是会引发一系列问题：

1.synchronize是阻塞式的，一个线程拥有锁后，其他的线程必须等待
2.等待中的线程优先级很高，但是迟迟拿不到锁怎么办？
3.等待中的线程竞争很激烈，但是拿到锁的线程迟迟不释放锁怎么办？

解决办法CAS

CAS可以完美地解决上述的问题，进而更完美地实现原子操作，它利用了现代处理器都支持的CAS指令，这个指令是CPU级别的指令。

CAS包含的要素

1.内存地址v：修改的对象或者变量的内存地址
2.期望值A：
3.新值B
当我去改这个内存地址上所对应的对象或者变量的时候，我期望在我改的时候，这个值是多少，如果是A，我就把他改成B，如果不是A，那我就不能改。将B值替换为A值。
即比较---->交换。

用java语言来讲，这个操作需要两个语句，一个是比较，一个是交换。
而在CPU层面，只要你执行了这个指令，我可以保证别的指令都被阻塞，只有这一个CAS指令操作完了才允许别的指令进行操作。

在JDK层面来讲，用到了循环（自旋、死循环），直到成功为止，原理如下：

原理
这种思想就是乐观锁。

用一句话来概括CAS如何实现线程安全？

CAS在语言层面不作处理，我们把它交给了CPU和内存，利用CPU的能力实现硬件层面阻塞，进而实现CAS的线程安全。

二、CAS引起的问题

1.ABA问题

下面的两种情况下会出现ABA问题。
1.A最开始的内存地址是X，然后失效了，又分配了B，恰好内存地址是X，这时候通过CAS操作，却设置成功了
　　这种情况在带有GC的语言中，这种情况是不可能发生的，为什么呢？拿JAVA举例，在执行CAS操作时，A，B对象肯定生命周期内，GC不可能将其释放，那么A指向的内存是不会被释放的，B也就不可能分配到与A相同的内存地址，CAS失败。若在无GC的，A对象已经被释放了，那么B被分配了A的内存，CAS成功。
2.线程1准备用CAS将变量的值由A替换为B，在此之前，线程2将变量的值由A替换为C，又由C替换为A，然后线程1执行CAS时发现变量的值仍然为A，所以CAS成功。但实际上这时的现场已经和最初不同了，尽管CAS成功，但可能存在潜藏的问题。比如：

现有一个用单向链表实现的堆栈，栈顶为A，这时线程T1已经知道A.next为B，然后希望用CAS将栈顶替换为B：head.compareAndSet(A,B);在T1执行上面这条指令之前，线程T2介入，将A、B出栈，再pushD、C、A。而对象B此时处于游离状态：此时轮到线程T1执行CAS操作，检测发现栈顶仍为A，所以CAS成功，栈顶变为B，但实际上B.next为null，其中堆栈中只有B一个元素，C和D组成的链表不再存在于堆栈中，平白无故就把C、D丢掉了。

以上就是由于ABA问题带来的隐患，各种乐观锁的实现中通常都会用版本戳version来对记录或对象标记，避免并发操作带来的问题，在Java中，AtomicStampedReference<E>也实现了这个作用，它通过包装[E,Integer]的元组来对对象标记版本戳stamp，从而避免ABA问题，例如下面的代码分别用AtomicInteger和AtomicStampedReference来对初始值为100的原子整型变量进行更新，AtomicInteger会成功执行CAS操作，而加上版本戳的AtomicStampedReference对于ABA问题会执行CAS失败。

package concur.lock;

import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class ABA {
    
    private static AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(100);
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef = 
            new AtomicStampedReference<Integer>(100, 0);
    
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread intT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                atomicInt.compareAndSet(101, 100);
            }
        });
        
        Thread intT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                boolean c3 = atomicInt.compareAndSet(100, 101);
                System.out.println(c3);        //true
            }
        });
        
        intT1.start();
        intT2.start();
        intT1.join();
        intT2.join();
        
        Thread refT1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, 
                        atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
                atomicStampedRef.compareAndSet(101, 100, 
                        atomicStampedRef.getStamp(), atomicStampedRef.getStamp()+1);
            }
        });
        
        Thread refT2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
                System.out.println("before sleep : stamp = " + stamp);    // stamp = 0
                try {
                    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                System.out.println("after sleep : stamp = " + atomicStampedRef.getStamp());//stamp = 1
                boolean c3 = atomicStampedRef.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp+1);
                System.out.println(c3);        //false
            }
        });
        
        refT1.start();
        refT2.start();
    }

}

如何解决？
增加版本号，也就是说在每个变量前面都要加一个版本号，每次修改的时候都对其版本+1。其实在大多数开发过程中，我们是不关心ABA问题的。但是ABA问题在一线互联网公司的面试中是经常问到的。

1.ABA问题的解决思路是使用版本号，每次变量更新的时候版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A
2.从jdk1.5开始，jdk的Atomic包里就提供了两个类来解决ABA问题，一个是AtomicStampedReference,另一个是AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference这个类中的compareAndSet方法的作用就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值更新为指定的新值。
AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference的区别
AtomicStampedReference带了版本号，关心被修改过几次，AtomicMarkableReference只关心有没有人修改过。

2.开销问题

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果jvm能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：

第一，它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。

第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（Memory Order Violation）而引起CPU流水线被清空（CPU Pipeline Flush），从而提高CPU的执行效率。

3.只能保证一个变量的原子操作

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。还有一个方法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i=2,j=a合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从java1.5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、原子操作类的使用

jdk中相关原子操作类的使用

更新基本类型类：AtomicBoolean,AtomicInteger，AtomicLong
更新数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
更新引用类：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampeReference
原子更新字段类：AtomicReferenceFiledUpdater,AtomicIntegerFiledUpdater,AtomicLongFiledUpdater

举例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 *类说明：演示基本类型的原子操作类
 */
public class UseAtomicInt {
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(10);

    public static void main(String[] args) {
        //返回的是我自增以前的值
        int i =  ai.getAndIncrement(); // i++
        //返回自增以后的值
        int b = ai.incrementAndGet();// ++i
        System.out.println(i +"------"+ b);
        //ai.compareAndSet();
        int fianl = ai.addAndGet(24);
        System.out.println("加了24之后的值为："+fianl);
    }
}

运行结果：

原子操作类的使用

import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;


/**
 *类说明： 演示原子操作数组
 */
public class AtomicArray {
    static int[] value = new int[] { 1, 2 };
    static AtomicIntegerArray ai = new AtomicIntegerArray(value);
    public static void main(String[] args) {
        ai.getAndSet(0, 3);
        System.out.println(ai.get(0));
        System.out.println(value[0]);//原数组不会变化
        }
}

运行结果：

原子操作数组

注意：

原子操作只会操作原子类的值，不会操作原数组，原子操作类的值再怎么变也不会影响原数组的值

运用原子操作类修改两个变量的值

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

/**
 *类说明：演示引用类型的原子操作类
 */
public class UseAtomicReference {
    static AtomicReference<UserInfo> atomicUserRef;
    public static void main(String[] args) {
        UserInfo user = new UserInfo("Mark", 15);//要修改的实体的实例
        atomicUserRef = new AtomicReference(user);
        UserInfo updateUser = new UserInfo("Bill",17);
        atomicUserRef.compareAndSet(user,updateUser);

        System.out.println(atomicUserRef.get());
        System.out.println(user);
    }
    
    //定义一个实体类
    static class UserInfo {
        private volatile 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;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "UserInfo{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }

}

运行结果：

AtomicReference

这是运用AtomicReference修改两个变量的值，本质上是包装成一个变量，对这一个变量进行修改。

六、原子操作CAS

一、什么是原子操作？如何实现原子操作？

解决办法CAS

CAS包含的要素

用一句话来概括CAS如何实现线程安全？

二、CAS引起的问题

1.ABA问题

2.开销问题

3.只能保证一个变量的原子操作

三、原子操作类的使用

jdk中相关原子操作类的使用

举例：

注意：

运用原子操作类修改两个变量的值

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