十二、Java高級特性（CAS基本原理）

一、什麼是原子操作？如何實現原子操作？

如果有兩個操作A和B，分別有兩個不同的線程執行。從A所在線程來看，執行B的線程執行B的時候要麼將B執行完畢，要麼完全不執行B，那麼A和B對彼此來說是原子的。

1、實現原子操作可以用鎖

鎖機制基本滿足了需求是沒有問題的。但是有時候我們需要更加有效，更加靈活，synchronized關鍵字是基於阻塞的鎖機制。也就是說當有一個線程擁有鎖的時候，訪問同一個資源的其他線程必須處於等待狀態。直到該線程釋放鎖。
這就會有一個問題：假如被阻塞的線程優先級很高怎麼辦？其次就是獲得鎖的線程一直不釋放鎖怎麼辦？還有就是如果有大量的線程來競爭資源，那麼CPU要花大量的時間和資源來處理這些競爭。同時還可能出現死鎖的情況。鎖是一種比較粗糙，粒度比較大的機制，對於一些像計數器這樣的需求，就顯得比較笨重。

2、實現原子操作還可以使用現代CPU支持的CAS指令

每一個CAS包含了三個運算符：
（1）內存地址V
（2）期望值A
（3）新值B

CAS舉例

現在我們有3個線程要對一個共享變量i實現+1的操作，理論上三個線程+1完最後的結果是3。我們可以使用synchronized鎖的機制來實現，同時也可以使用更加輕量的CAS指令實現。
下面我們介紹其原理：如下圖

（1）三個線程都是都可以進行i++，不需要阻塞等待，但是+1的時候並沒有真正的寫入內存。每個線程i++完之後，各自的i都是1。
（2）進入圖中的compare swap操作，比較和交換，這個操作屬於原子操作。即要麼全部執行，要麼不執行，因此在這每次只有一個線程執行或者不執行。假如三個線程分別爲A 、B、C。A線程進入原子操作比較和交換的時候，i的內存地址是V，期望值是i= 0，新值是i= 1。如果比較的時候i確實等於0，那麼進行交換，將i = 1，寫入內存，A線程原子操作完畢。B線程也一樣，i的內存地址是V，期望值是i= 0，新值是i= 1。此時B線程進行原子操作比較交換的時候發現i= 1，自己的期望值是0。他們倆不相等，因此從新來一次，將期望值置爲1，新值i= 1+1 =2。在進行原子操作比較和交換，這個時候如果C線程沒有經過原子操作修改過i的值，那麼此時B線程原子操作比較交換的時候，內存地址V中i的值是1，B的期望值是1，新值是2。內存V中地址的值和期望值一樣，因此交換。把新值i= 2寫入內存地址V中。當C線程進來的是也是一樣的道理。在原子操作的時候，當原子操作比較交換的時候，內存V中的值和期望值不一樣，那麼再來一次，將期望值修改。這個操作稱爲自旋。

二、實現原子操作的三大問題

1、ABA問題

因爲CAS需要在操作值的時候，檢查內存V中的值和自己的期望值是否相等，如果相等，則將新值寫入內存。但是並不知道內存V中的值中間是否發生了變化，例如當一個線程的期望值是A，但是內存地址V中的值，經過其他線程從A改成B，從B又改成A。當該線程進行CAS原子操作的時候，發現內存地址V中的值是A，和自己的期望值相等，那麼就直接將新值寫入到內存。然而它並不知道其實值已經經過多次的變化。
那麼如果對於需要知道A是否被更改過的要求，就會產生問題。解決這一問題，可以加一個版本號。也就是每次更改內存V中的值的時候，把版本號+1。通過拿到版本號就可以知道是否被更改過。

2、循環時間過長，開銷大。

自旋CAS如果時間太長，會給CPU帶來大的執行開銷。

3、只能保證一個共享變量的原子操作

當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖。
從Java 1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，就可以把多個變量放在一個對象裏來進行CAS操作

三、Jdk中相關原子操作類的使用

• int addAndGet（int delta）：以原子方式將輸入的數值與實例中的值（AtomicInteger裏的value）相加，並返回結果。
• boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果輸入的數值等於預期值，則以原子方式將該值設置爲輸入的值。
• int getAndIncrement()：以原子方式將當前值加1，注意，這裏返回的是自增前的值。
• int getAndSet（int newValue）：以原子方式設置爲newValue的值，並返回舊值。
• AtomicIntegerArray
  主要是提供原子的方式更新數組裏的整型，其常用方法如下。
• int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式將輸入值與數組中索引i的元素相加。
• boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果當前值等於預期值，則以原子方式將數組位置i的元素設置成update值。
  需要注意的是，數組value通過構造方法傳遞進去，然後AtomicIntegerArray會將當前數組複製一份，所以當AtomicIntegerArray對內部的數組元素進行修改時，不會影響傳入的數組。
• 更新引用類型
  原子更新基本類型的AtomicInteger，只能更新一個變量，如果要原子更新多個變量，就需要使用這個原子更新引用類型提供的類。Atomic包提供了以下3個類。
• AtomicReference
• 原子更新引用類型。
• AtomicStampedReference
  利用版本戳的形式記錄了每次改變以後的版本號，這樣的話就不會存在ABA問題了。這就是AtomicStampedReference的解決方案。AtomicMarkableReference跟AtomicStampedReference差不多， AtomicStampedReference是使用pair的int stamp作爲計數器使用，AtomicMarkableReference的pair使用的是boolean mark。 還是那個水的例子，AtomicStampedReference可能關心的是動過幾次，AtomicMarkableReference關心的是有沒有被人動過，方法都比較簡單。
• AtomicMarkableReference：
  原子更新帶有標記位的引用類型。可以原子更新一個布爾類型的標記位和引用類型。構造方法是AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。

四、AtomicInteger的使用舉例

package com.it.test.thread.consumer_product.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * 基本類型的原子操作
 */
public class CasTest {
    static AtomicInteger atomicInteger  = new AtomicInteger(10);
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(atomicInteger.getAndIncrement());//i++
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {

                System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());//++i
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println( atomicInteger.getAndAdd(24));//i++
            }
        }.start();
        new Thread(){
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(atomicInteger.addAndGet(30));//++i
            }
        }.start();




    }
}

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