JDK提供的原子类原理及使用（十一）

最新推荐文章于 2024-07-08 11:46:09 发布

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分类专栏：并发编程文章标签：原子类

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1.为什么会有原子类

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

jdk5增加了并发包java.util.concurrent.*,其下面的类使用CAS算法实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。JDK 5之前Java语言是靠synchronized关键字保证同步的，这是一种独占锁，也是是悲观锁。

2.原子更新字段原理

原理：当前线程获取值，然后加一赋给next,然后比较当前值和next是否相等，（CAS的算法，比较当前值和期望的值是否相等，如果相等，则将当前值赋予一个新值。）不等，说明已经被别的线程修改，循环直到成功一次退出

3.CAS无锁模式

1.什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。

2.CAS算法理解

（1）与锁相比，使用比较交换（下文简称CAS）会使程序看起来更加复杂一些。但由于其非阻塞性，它对死锁问题天生免疫，并且，线程间的相互影响也远远比基于锁的方式要小。更为重要的是，使用无锁的方式完全没有锁竞争带来的系统开销，也没有线程间频繁调度带来的开销，因此，它要比基于锁的方式拥有更优越的性能。

（2）无锁的好处：

第一，在高并发的情况下，它比有锁的程序拥有更好的性能；

第二，它天生就是死锁免疫的。

就凭借这两个优势，就值得我们冒险尝试使用无锁的并发。

（3）CAS算法的过程是这样：它包含三个参数CAS(V,E,N): V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。仅当V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程做了更新，则当前线程什么都不做。最后，CAS返回当前V的真实值。

（4）CAS操作是抱着乐观的态度进行的，它总是认为自己可以成功完成操作。当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会被挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试，当然也允许失败的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS操作即使没有锁，也可以发现其他线程对当前线程的干扰，并进行恰当的处理。

（5）在硬件层面，大部分的现代处理器都已经支持原子化的CAS指令。在JDK 5.0以后，虚拟机便可以使用这个指令来实现并发操作和并发数据结构，并且，这种操作在虚拟机中可以说是无处不在。

3.CAS（乐观锁算法）的基本假设前提

CAS比较与交换的伪代码可以表示为：

do{
       备份旧数据；
       基于旧数据构造新数据；
}while(!CAS( 内存地址，备份的旧数据，新数据 ))

（上图的解释：CPU去更新一个值，但如果想改的值不再是原来的值，操作就失败，因为很明显，有其它操作先改变了这个值。）

就是指当两者进行比较时，如果相等，则证明共享数据没有被修改，替换成新值，然后继续往下运行；如果不相等，说明共享数据已经被修改，放弃已经所做的操作，然后重新执行刚才的操作。容易看出 CAS 操作是基于共享数据不会被修改的假设，采用了类似于数据库的 commit-retry 的模式。当同步冲突出现的机会很少时，这种假设能带来较大的性能提升。

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
        int v;
        do {
            v = getIntVolatile(o, offset);
        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
        return v;
    }

/** 
	 * Atomically increments by one the current value. 
	 * 
	 * @return the updated value 
	 */  
	public final int incrementAndGet() {  
	    for (;;) {  
	        //获取当前值  
	        int current = get();  
	        //设置期望值  
	        int next = current + 1;  
	        //调用Native方法compareAndSet，执行CAS操作  
	        if (compareAndSet(current, next))  
	            //成功后才会返回期望值，否则无线循环  
	            return next;  
	    }  
	}

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。

问题：如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？

如果在这段期间曾经被改成B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

4. 常用原子类

Java中的原子操作类大致可以分为4类：原子更新基本类型、原子更新数组类型、原子更新引用类型、原子更新属性类型。这些原子类中都是用了无锁的概念，有的地方直接使用CAS操作的线程安全的类型。

AtomicBoolean

AtomicInteger

AtomicLong

AtomicReference

public class Test0001 implements Runnable {
	private static Integer count = 1;
	private static AtomicInteger atomic = new AtomicInteger();

	@Override
	public void run() {
		while (true) {
			int count = getCountAtomic();
			System.out.println(count);
			if (count >= 150) {
				break;
			}
		}
	}

	public synchronized Integer getCount() {
		try {
			Thread.sleep(50);
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}

		return count++;
	}

	public Integer getCountAtomic() {
		try {
			Thread.sleep(50);
		} catch (Exception e) {
			// TODO: handle exception
		}
		return atomic.incrementAndGet();
	}

	public static void main(String[] args) {
		Test0001 test0001 = new Test0001();
		Thread t1 = new Thread(test0001);
		Thread t2 = new Thread(test0001);
		t1.start();
		t2.start();
	}

}