CAS&Atomic原子操作详解

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已于 2024-03-08 21:19:09 修改 · 1k 阅读

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#java #CAS #Atomic

于 2024-02-29 07:06:08 首次发布

本文详细介绍了原子操作的概念，包括事务中的原子性，以及如何使用synchronized、CAS等技术实现原子操作。讨论了CAS实现的挑战，如ABA问题和循环时间开销，以及Java中AtomicInteger、AtomicReference、LongAdder等原子类的使用场景和原理。

什么是原子操作？如何实现原子操作？

        我们在接触到事务的时候，了解到事务的一大特性是原子性，一个事务要么全部执行、要么全部不执行。
        并发里的原子性和事务里的原子性有一样的内涵和概念。假定有2个操作A和B都包含多个步骤，从线程A的角度看，线程B要么全部执行要么全部不执行，B看A也是如此，那么A和B对彼此来说都是原子的。
        实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本需求是没有问题的，但有时候我们需要更有效，更加灵活的机制。
        synchronized 关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁。
        这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。为了解决这个问题，Java 提供了 Atomic 系列的原子操作类。
        这些原子操作类其实是使用当前的处理器基本都支持 CAS 的指令，比如 Intel 的汇编指令
cmpxchg，每个厂家所实现的具体算法并不一样，但是原理基本一样。每一个 CAS 操作过程都包含三个运算符：一个内存地址 V，一个期望的值 A 和一个新值 B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值 A，则将地址上的值赋为新值 B，否则不做任何操作。
        CAS 的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。自然 CAS 操作执行完成时，在业务上不一定完成了，这个时候我们就会对 CAS 操作进行反复重试，于是就有了循环CAS。很明显，循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。 Java 中的 Atomic 系列的原子操作类的实现则是利用了循环CAS来实现。

CAS 实现原子操作的三大问题

ABA 问题。

即值从A设置为B，再由B设置到A，这整个过程CAS是不知道的，还以为A从来没改过。
解决该问题的方法是使用版本号。即A->B->A变成了1A->2B->3A。

循环时间长开销大。

自旋CAS如果长时间不成功，会大量的消耗CPU资源

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。

Jdk 中相关原子操作类的使用

AtomicInteger

int AddAndGet(int delta)：可以将输入的值delta与源值相加，然后将相加的值返回
boolean compareAndSet(int expect ，int update)：如果数据的值等于预期值expect，则用update更新原值
int getAndIncrement()：以原子的方式+1，注意，此处返回的值是自增前的值
int getAndSet(int newValue)：以原子的方式设置为新值，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，并返回修改后的值
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。
如下例

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 super.toString() + "UserInfo{" +
                    "name='" + name + '\'' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }