JAVA并发编程-CAS设计及Atomic原子操作

原子性

        什么是原子性，比如事务的一大特征就是原子性，即要么全部执行、要么都不执行。

        在JAVA中，如线程A、线程B 同时执行一个代码块，我们常用Synchroized或者其他形式锁来保证同一时刻只有一个线程执行。这就是我们常用的锁机制，锁机制是一种颗粒度大、比较粗糙的机制。对于计数器这样的我们在用锁 岂不是 牛刀杀小鸡了，这里JAVA就提供了Atomic原子操作类。 原子操作类是基于CAS机制的。

什么是CAS？

CAS（Compare And Swap，比较并交换）是一种重要的并发控制机制，广泛应用于多线程编程中实现无锁（lock-free）算法。

CAS是一种原子操作，包含三个操作数：

1. 主内存中存放的共享变量的值：V（一般情况下这个V是内存的地址值，通过这个地址可以获得内存中的值）。

2. 工作内存中共享变量的副本值，也叫预期值：A。

3. 需要将共享变量更新到的最新值：B。

操作逻辑：

1、读取旧值：线程读取内存位置 V 的当前值 A。
2、比较旧值：将读取的值 A 与预期的旧值进行比较。
3、交换值：如果当前值与预期值相同，则用新值 B 替换当前值。这个替换操作是原子的，即要么完全完成，要么完全不发生。
4、返回结果：如果替换成功，则返回 true 或成功信号；否则返回 false 或失败信号，表示旧值已被其他线程更改。

CAS操作通过一条CPU的原子指令（如cmpxchg指令）实现，保证了比较和更新的原子性。在执行CAS操作时，CPU会判断当前系统是否为多核系统，如果是，则会给总线加锁，确保只有一个线程能够执行CAS操作。这种独占式的原子性实现方式，比起使用synchronized等重量级锁，具有更短的排他时间，因此在多线程情况下性能更佳。

CAS问题

 ABA问题，通过增加版本号控制

 自旋耗时，设置自旋次数控制

只能保证一个共享变量，把多个共享变量封装成一个共享变量

Atomic原子操作

        JAVA提供了一套atomic原子操作类

并发安全相关问题

1.什么是线程安全

线程安全是多线程编程中的核心概念，指的是当多个线程同时访问某个类、对象或方法时，这个类、对象或方法仍然能够保持正确的行为，不需要额外的同步措施。

2.如何保证线程安全

        1.线程封闭

                我们把对象封装在当前线程内部，只有当前线程能看到此对象。

        2.栈封闭

                就是使用局部变量，局部变量会被拷贝到当前线程栈中，不共享。

        3.ThreadLocal

                使用ThreadLocal对线程进行封闭，记得合理remove(),ThreadLocal存在内存泄漏问题。

        4.使用无状态类

                没有成员变量的类叫做无状态类

        5.类不可变

                所有成员方法都加上final关键字

        6.加锁或CAS

死锁

        学术概念：

死锁是多线程编程中最棘手的问题之一，指两个或多个线程在执行过程中，因争夺资源而造成的一种互相等待的现象，若无外力干涉，这些线程都无法继续执行下去。

死锁产生的四个必要条件（Coffman条件）

1. 互斥条件：资源一次只能由一个线程占用

2. 占有且等待：线程持有至少一个资源，并等待获取其他被占用的资源

3. 不可抢占条件：已分配给线程的资源，不能被其他线程强行夺取

4. 循环等待条件：多个线程形成头尾相接的循环等待资源关系

        理解概念：

        多个操作者（M>=2）争夺多个资源（N>=2）

        操作顺序不一致

        拿到资源不放手

排查死锁

        使用jstack分析