本文深入探讨了原子操作的概念及其实现方式，重点讲解了CAS（Compare and Swap）机制，包括其工作原理、优缺点及如何解决ABA问题。同时，介绍了JDK中提供的原子操作类，如AtomicInteger、AtomicReference等的使用方法。
原子操作CAS
什么是原子操作？
假定有两个操作A和B，如果从执行A的线程来看，当另一个线程执行B时，要么将B全部执行完，要么完全不执行B，那么A和B对彼此来说是原子的。
如何实现原子操作？
加锁
实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，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？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，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。
CAS
实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，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。循环CAS就是在一个循环里不断的做CAS操作，直到成功为止。
CAS是怎么实现线程的安全呢？语言层面不做处理，我们将其交给硬件—CPU和内存，利用CPU的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上volatile变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。
CAS实现原子操作的三大问题
- ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。 - 循环时间长开销大。
自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。 - 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。
还有一个取巧的办法，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Java 1.5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。
JDK中相关原子操作类（java.util.concurrent.atomic）的使用
- 更新基本类型类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong
- 更新数组类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
- 更新引用类型：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference
- 更新字段类： AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater
AtomicInteger
- int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger里的value）相加，并返回结果。
- boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。
- int getAndIncrement()：以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。
- int getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
示例：
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) {
System.out.println(ai.getAndIncrement());
System.out.println(ai.incrementAndGet());
System.out.println(ai.addAndGet(24));
}
}
结果：
10
12
36
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。
- 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。
示例：
import java.util.concurrent.atomic.AtomicIntegerArray;
/**
*类说明：
*/
public class UseAtomicIntegerArray {
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
}
}
结果：
3
1
AtomicReference
示例：
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 +
'}';
}
}
}
结果：
UserInfo{name='Bill', age=17}
UserInfo{name='Mark', age=15}
AtomicStampedReference
利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在ABA问题了。这就是AtomicStampedReference的解决方案。AtomicMarkableReference跟AtomicStampedReference差不多， AtomicStampedReference是使用pair的int stamp作为计数器使用，AtomicMarkableReference的pair使用的是boolean mark。
示例：
/**
*类说明：演示带版本戳的原子操作类
*/
public class UseAtomicStampedReference {
static AtomicStampedReference<String> asr
= new AtomicStampedReference("mark",0);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//拿到当前的版本号(旧)
final int oldStamp = asr.getStamp();
final String oldReference = asr.getReference();
System.out.println(oldReference+"============"+oldStamp);
Thread rightStampThread = new Thread(() ->
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+":当前变量值："
+oldReference + "-当前版本戳：" + oldStamp + "-"
+ asr.compareAndSet(oldReference,
oldReference + "+Java", oldStamp,
oldStamp + 1)));
Thread errorStampThread = new Thread(() -> {
String reference = asr.getReference();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()
+":当前变量值："
+reference + "-当前版本戳：" + asr.getStamp() + "-"
+ asr.compareAndSet(reference,
reference + "+C", oldStamp,
oldStamp + 1));
});
rightStampThread.start();
rightStampThread.join();
errorStampThread.start();
errorStampThread.join();
System.out.println(asr.getReference()+"============"+asr.getStamp());
}
}
结果：
mark============0
Thread-0:当前变量值：mark-当前版本戳：0-true
Thread-1:当前变量值：mark+Java-当前版本戳：1-false
mark+Java============1
AtomicMarkableReference
原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。
【并发编程】目录：
【并发编程】之走进Java里的线程世界
【并发编程】之学会使用线程的并发工具类
【并发编程】之学会使用原子操作CAS
【并发编程】之深入理解显式锁和AQS
【并发编程】之一文彻底搞懂并发容器
【并发编程】之Java面试经常会问到的线程池，你搞清楚了吗?
【并发编程】之Java并发安全知识点总结
【并发编程】之大厂很可能会问到的JMM底层实现原理
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