Java多线程系列——原子类的实现（CAS算法）-白红宇

Java多线程系列——原子类的实现（CAS算法）

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发布时间：2019-06-27

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原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++；这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。

java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

除了在i++操作时使用synchroinzed关键字实现同步外，还可以使用AtomicInteger原子类进行实现

.util.concurrent.atomic 包中提供了以下原子类, 它们是线程安全的类

AtomicBoolean -- 原子布尔

AtomicInteger -- 原子整型

AtomicIntegerArray -- 原子整型数组

AtomicLong -- 原子长整型

AtomicLongArray -- 原子长整型数组

AtomicReference -- 原子引用

AtomicReferenceArray -- 原子引用数组

AtomicMarkableReference -- 原子标记引用

AtomicStampedReference -- 原子戳记引用

AtomicIntegerFieldUpdater -- 用来包裹对整形 volatile 域的原子操作

AtomicLongFieldUpdater -- 用来包裹对长整型 volatile 域的原子操作

AtomicReferenceFieldUpdater -- 用来包裹对对象 volatile 域的原子操作

Java提供的原子类是靠 sun 基于 CAS 实现的，CAS 是一种乐观锁。参考：

　　原子变量类相当于一种泛化的 volatile 变量，能够支持原子的和有条件的读-改-写操作。AtomicInteger 表示一个int类型的值，并提供了 get 和 set 方法，这些 Volatile 类型的int变量在读取和写入上有着相同的内存语义。它还提供了一个原子的 compareAndSet 方法（如果该方法成功执行，那么将实现与读取/写入一个 volatile 变量相同的内存效果），以及原子的添加、递增和递减等方法。AtomicInteger 表面上非常像一个扩展的 Counter 类，但在发生竞争的情况下能提供更高的可伸缩性，因为它直接利用了硬件对并发的支持。

AtomicInteger的实现

　AtomicInteger 是一个支持原子操作的 Integer 类，就是保证对 AtomicInteger 类型变量的增加和减少操作是原子性的，不会出现多个线程下的数据不一致问题。如果不使用 AtomicInteger，要实现一个按顺序获取的 ID，就必须在每次获取时进行加锁操作，以避免出现并发时获取到同样的 ID 的现象。

　　接下来通过源代码来看 AtomicInteger 具体是如何实现的原子操作。

　　首先看 value 的声明：

private volatile int value;

volatile 修饰的 value 变量，保证了变量的可见性。

　incrementAndGet() 方法，下面是具体的代码：

public final int incrementAndGet() {        for (;;) {            int current = get();            int next = current + 1;            if (compareAndSet(current, next))                return next;        } }

　通过源码，可以知道，这个方法的做法为先获取到当前的 value 属性值，然后将 value 加 1，赋值给一个局部的 next 变量，然而，这两步都是非线程安全的，但是内部有一个死循环，不断去做 compareAndSet 操作，直到成功为止，也就是修改的根本在 compareAndSet 方法里面，compareAndSet()方法的代码如下：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}

compareAndSet()方法调用的compareAndSwapInt()方法的声明如下，是一个native方法。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, intvar5);

　compareAndSet 传入的为执行方法时获取到的 value 属性值，next 为加 1 后的值， compareAndSet 所做的为调用 Sun 的 UnSafe 的 compareAndSwapInt 方法来完成，此方法为 native 方法，compareAndSwapInt 基于的是 CPU 的 CAS 指令来实现的。所以基于 CAS 的操作可认为是无阻塞的，一个线程的失败或挂起不会引起其它线程也失败或挂起。并且由于 CAS 操作是 CPU 原语，所以性能比较好。

　　类似的，还有 decrementAndGet() 方法。它和 incrementAndGet() 的区别是将 value 减 1，赋值给next 变量。

AtomicInteger 中还有 getAndIncrement() 和 getAndDecrement() 方法，他们的实现原理和上面的两个方法完全相同，区别是返回值不同，前两个方法返回的是改变之后的值，即 next。而这两个方法返回的是改变之前的值，即 current。还有很多的其他方法，就不列举了。

CAS算法

CAS（Compare-And-Swap）算法保证数据操作的原子性。

CAS 算法是硬件对于并发操作共享数据的支持。

CAS 包含了三个操作数：

　　内存值 V

　　预估值 A

　　更新值 B

当且仅当 V == A 时，V 将被赋值为 B，否则什么都不做，

当然如果需要的话，可以设计成自旋锁的模式,循环着不断进行判断 V 与 A 是否相等。

考虑如下问题：

关于CAS操作提出问题：

情况1.