Java原子操作和CAS

为了开发者更方便的编写多线程程序，Java提供了一些原子操作类，在java.util.concurrent.atomic包下。

什么是原子操作？

操作：实现特定功能的1行或N行代码，或一个方法。

原子操作：多线程下，某个线程在执行该操作时，不允许被其他线程打断。

程序运行时，CPU在多个线程中快速的切换，每个线程在运行下一条指令前，都有可能失去CPU的执行权。

对于一个方法或代码块，如果不做任何处理，那么它肯定不是原子操作。

如何保证非原子操作的安全性？

synchronized
加显式锁

但是这两种方式，开销都太大了，

synchronized：基于阻塞的锁机制

被阻塞的线程优先级很高
热点资源，大量锁竞争，消耗CPU
产生死锁，以及其他线程安全问题。

对于一些简单的操作，使用synchronized或者显式锁开销太大了，为了解决这个问题，Java提供了原子操作类。

原子操作类

java.util.concurrent.atomic包下提供了4种类型的操作类：

原子更新基本类型
原子更新数组
原子更新引用
原子更新属性

常用API

V get()
获取值
void set(V v)
赋值
void lazySet(V v)
懒赋值，不能保证对其他线程的“可见性”
V getAndSet(V v)
返回旧值，并赋新值
boolean compareAndSet(V v1, V v2)
比较并替换，返回是否替换成功

简单例子

public class AtomicBooleanDemo {AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);int i = 0;void add(){//休眠1ms 结果更明显SleepUtil.sleep(1);//原子操作System.out.println(ai.incrementAndGet());//非原子操作System.out.println(++i);}public static void main(String[] args) {AtomicBooleanDemo demo = new AtomicBooleanDemo();for (int i = 0; i < 1000; i++) {new Thread(()->{demo.add();}).start();}}
}

开启1000个线程去对i和ai加1，++i不是原子操作，输出结果最大值小于1000，incrementAndGet()是原子操作，输出结果最大值等于1000。

CAS

什么是CAS?

CAS:Compare and Swap,译为：比较并交换。

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。

如果V和A相等，那么就用B来替换。

用Java代码描述如下：

public class CASDemo {int V;boolean compareAndSet(int A, int B) {if (V == A) {V = B;return true;}return false;}
}

这里的compareAndSet肯定是非原子操作。

CAS可以做到：在不加锁的情况下，确保“比较和替换”操作是原子的。

CAS操作是原子的，但不是锁。
它是利用现代处理器中都支持的原子指令来实现的，Java本身不能实现，需要调用本地方法，利用C语言/汇编来实现。

对于简单的“比较和替换”操作，就不要去使用锁，开销太大了，使用CAS性能更高。

存在的问题

ABA问题
通过版本号解决
开销问题
只能保证一个共享变量的原子操作
使用AtomicReference解决。

解决ABA问题

ABA问题：假设初始值为A，线程1首先将A改为B，线程2又将B改为A，线程3无法判断A是否被修改过。

Java提供了两个类来解决ABA问题：

AtomicMarkableReference
记录是否被修改过。
AtomicStampedReference
记录每次修改的版本号。

AtomicStampedReference除了比较期望值和原值是否相等外，还会判断版本号是否一致，只有都一致，才会进行修改。

AtomicStampedReference例子

public class AtomicStampedReferenceDemo {//构建AtomicStampedReference实例 并设置:初始值和初始版本号AtomicStampedReference<String> asr = new AtomicStampedReference("A", 0);public static void main(String[] args) {AtomicStampedReferenceDemo demo = new AtomicStampedReferenceDemo();//初始版本号int defaultStamp = demo.asr.getStamp();//初始值String defaultValue = demo.asr.getReference();//第一次修改 A > B 版本号 0 > 1 trueboolean oneChange = demo.asr.compareAndSet(defaultValue, "B", defaultStamp, defaultStamp+1);//第二次修改 B > A 版本号 1 > 2 trueboolean twoChange = demo.asr.compareAndSet("B", defaultValue, defaultStamp+1, defaultStamp+2);//第三次修改 A > B 版本号 0 > 1 falseboolean threeChange = demo.asr.compareAndSet(defaultValue, "B", defaultStamp, defaultStamp + 1);}
}

解决只能一个共享变量的问题

AtomicReference

AtomicReference使用和原子基本类型相似，区别是AtomicReference保存和比较的是对象引用的内存地址。

public class AtomicReferenceDemo {private static class Person{String name;int age;}public static void main(String[] args) {Person person = new Person();person.name = "admin";person.age = 18;AtomicReference<Person> ar = new AtomicReference<>();ar.set(person);Person newPerson = new Person();newPerson.name = "Lisa";newPerson.age = 23;//替换成功 ar内部指向newPersonar.compareAndSet(person, newPerson);Person arPerson = ar.get();System.out.println(arPerson == newPerson);//trueSystem.out.println(arPerson.name);//LisaSystem.out.println(person.name);//admin}
}