原子操作详解：Java实现与ABA问题解决-优快云博客

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Atomic类

什么是原子操作？

原子即“不能被进一步分割的最小粒子”，原子操作（atomic operation）即”不可被中断的一个或一系列操作”，这组操作要么都执行要么都不执行，不会存在只执行一部分的情况。

处理器如何实现原子操作？

1.使用总线锁保证原子性
第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写（i++就是经典的读改写操作）操作，那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致，举个例子：如果i=1,我们进行两次i++操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2。如下图所示：

原因是有可能多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加一操作，然后分别写入系统内存当中。那么想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读
改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个
LOCK＃信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。

2.使用缓存一致性协议（参考前面的文章）

Java如何实现原子操作？

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。主要是Atomic包里面的类都是使用CAS操作共享变量来实现原子操作。

在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，分别是原子更新基本类型，原子更新数组，原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装类。

基本类：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean；
引用类型：AtomicReference、AtomicReference的ABA实例、AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference；

数组类型：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray

属性原子修改器（Updater）：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

1.原子更新基本类型

用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类：
AtomicBoolean：原子更新布尔类型。
AtomicInteger：原子更新整型。
AtomicLong：原子更新长整型。

AtomicInteger的常用方法如下：
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。

Atomic包提供了三种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char，float和double等。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢？Atomic包里的类基本都是
使用Unsafe实现的，Unsafe只提供了三种CAS方法，compareAndSwapObject，compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现其是
先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新double也可以用类似的思路来实现。

AtomicInteger的代码示例如下所示：实现的是从0增加到10

public class AtomicIntegerTest {
    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    public static void main(String[] args) {
        /**
        CyclicBarrier cyclicBarrier=new CyclicBarrier(10, new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("自加10次数值：--->"+atomicInteger.get());
            }
        });
        for(int i=0;i<10;i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    atomicInteger.incrementAndGet();
                    try {
                        cyclicBarrier.await();
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    } catch (BrokenBarrierException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }).start();
        }**/
        for (int i = 0; i<10; i++){
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    atomicInteger.incrementAndGet();
                }
            }).start();
        }
        try {
            Thread.sleep(1000);//防止主线程插队，可以使CyclicBarrier来实现如上所示。
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("自加10次数值：--->"+atomicInteger.get());
    }

}

但是使用CAS会带来ABA问题，ABA问题的代码如下所示：

public class AtomicAbaProblemTest {
    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) {
        Thread main = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                int a = atomicInteger.get();
                System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"--修改前操作数值:"+a);
                try {
                    Thread.sleep(1000);
                } catch (InterruptedException e) {
                    e.printStackTrace();
                }
                boolean isCasSuccess = atomicInteger.compareAndSet(a,2);
                if(isCasSuccess){
                    System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"--Cas修改后操作数值:"+atomicInteger.get());
                }else{
                    System.out.println("CAS修改失败");
                }

            }
        },"主线程");

        Thread other = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                atomicInteger.incrementAndGet();// 1+1 = 2;
                System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"--increase后值:"+atomicInteger.get());
                atomicInteger.decrementAndGet();// atomic-1 = 2-1;
                System.out.println("操作线程"+Thread.currentThread().getName()+"--decrease后值:"+atomicInteger.get());
            }
        },"干扰线程");
        main.start();
        other.start();
    }
}

结果如下图所示：

可以看出即是干扰线程使用了atomicInterger的值，对于主线程来说他并不知道，所以当干扰线程把变量首先加1变成2，然后又把变量减1变成1，此时主线程去读取变量的值发现变量的值还是1，所以他便去更新这个值，实际上这个值已经被干扰线程修改过了，但是主线程并不知道，所以对于干扰线程来说他实现了一个1-2-1的过程，这就是典型性的ABA问题。

解决ABA问题可以使用版本号机制：代码如下所示，每次修改变量之前不仅要比较要修改的值，还要比较自己的版本号是否和原来的相同。代码如下所示：

public class AtomicStampedRerenceTest {
    private static AtomicStampedReference<Integer> atomicStampedRef =
            new AtomicStampedReference<>(1, 0);
    public static void main(String[] args){
        Thread main = new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedRef.getStamp(); //获取当前标识别
            System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread()+ "stamp="+stamp + ",初始值 a = " + atomicStampedRef.getReference());
            try {
                Thread.sleep(1000); //等待1秒 ，以便让干扰线程执行
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            boolean isCASSuccess = atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,stamp,stamp +1);  //此时expectedReference未发生改变，但是stamp已经被修改了,所以CAS失败
            System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() + "stamp="+stamp + ",CAS操作结果: " + isCASSuccess);
        },"主操作线程");

        Thread other = new Thread(() -> {
            int stamp = atomicStampedRef.getStamp();
            atomicStampedRef.compareAndSet(1,2,stamp,stamp+1);
            System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() + "stamp="+atomicStampedRef.getStamp() +",【increment】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());
            stamp = atomicStampedRef.getStamp();
            atomicStampedRef.compareAndSet(2,1,stamp,stamp+1);
            System.out.println("操作线程" + Thread.currentThread() + "stamp="+atomicStampedRef.getStamp() +",【decrement】 ,值 = "+ atomicStampedRef.getReference());
        },"干扰线程");

        main.start();
        other.start();
    }
}

结果如下所示：

可以看到CAS更新失败，因为版本号变成了2，如果没有ABA操作，版本号应该是0，但是现在确实2

2.原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类：

AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素。
AtomicLongArray：原子更新长整型数组里的元素
AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素
AtomicIntegerArray类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。

演示代码如下所示：

public class AtomicIntegerArrayTest {
    static int[] value = new int[]{1,2};
    static AtomicIntegerArray aiArray = new AtomicIntegerArray(value);


    public static void main(String[] args) {
        aiArray.getAndSet(0,3);
        System.out.println(aiArray.get(0));
        System.out.println(value[0]);
        if(aiArray.get(0) != value[0]){
            System.out.println("是否相等");
        }
    }

}

需要注意的是修改的是克隆的数组，并没有修改原始数组，所以原始数组的值还是没有改变。这一点可以通过源码看出：如下所示：

 public AtomicIntegerArray(int[] array) {
        // Visibility guaranteed by final field guarantees
        this.array = array.clone();
    }