原子操作CAS及其实现类

原子的意思是说“不能被进一步分割的粒子”，而原子操作是说“不可被终端的一个或多个系列的操作”。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。

java中可以通过锁，锁机制的方式来实现原子操作，但是有时候需要更有效灵活的机制，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，因为synchronized关键字具有排他性，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，同时也会造成死锁的情况。而且锁的机制相当于其他轻量级的需求有点过于笨重，例如计数器，这个后边我会介绍两者之间的性能的比较。

如何实现原子操作

实现原子操作还可以使用CAS实现原子操作，利用了处理器提供的CMPXCHG指令来实现的，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，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。下面的代码实现了一个CAS线程安全的计数器safeCount。

public class Counter {
    private AtomicInteger atomicCount = new AtomicInteger(0);
    private int i = 0;

    /** cas cafecount **/
    private void safeCount() {
        for (; ; ) {
            int i = atomicCount.get();
            boolean suc = atomicCount.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter cas = new Counter();
        List<Thread> ts = new ArrayList<>(500);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                for (int i = 0; i < 10000; i++) {
                    cas.safeCount();
                }
            });
            ts.add(t);
        }
        for (Thread t : ts) {
            t.start();
        }
        for (Thread t : ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicCount.get());
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }
}
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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（可见性，有序性）即可实现基于原子操作的线程安全。

CAS实现原子性操作的三大问题

在Java并发包中有一些并发框架也使用了自旋CAS的方式来实现原子操作，比如LinkedTransferQueue类的xfer方法。CAS虽然很高的解决了原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题、循环时间长开销大、以及只能保证一个共享变量的原子操作。

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，如果发生变化则更新，但是如果一个值为A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时就会发现它的值没有发生变化，但实际上发生变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号，在变量前边追加版本号，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。从java1.5开始，JDK提供了AtomicStampedReference、AtomicMarkableReference来解决ABA的问题，通过compareAndSet方法检查值是否发生变化以外检查版本号知否发生变化。（AtomicStampedReference能够得到变化的次数这里下边会介绍到）

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中相关原子操作类的使用

从1.5开始，JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean、AtomicInter。这些原子包装类还提供了简单、性能高效、线程安全有用的工具方法，并且 在并发代码来说是非常关键的。原子变量将发生在单个的变量上，粒度最细的情况。原子变量类有很多种，所以Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，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属性。Atomic包里的类基本都是通过Unsafe实现包装类。

原子更新基本类型

使用原子方式更新基本类型，Atomic包提供了以下3个类。

AtomicBoolean：原子更新布尔值类型

AtomicInteger：原子更新整型

AtomicLong：原子更新长整形

以AtomicInteger为例：

public final int addAndGet(int delta)
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以原子方式将输入的数值与实例的值相加，并返回结果。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) 
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如果输入的数值等于预期值，则以原子的方式设置输入的值。

public final int getAndIncrement()
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以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增前的值。

public final int getAndSet(int newValue)
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以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

接下来我们看一下getAndIncrement源码

public final int getAndIncrement()
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以原子方式将当前值设置为1，这里返回的是自增的值。 在JDK1.8中getAndIncrement是如何实现原子操作的呢？我们分析一下源码，

public final int getAndIncrement() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}


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;
}


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getAndIncrement方法调用了首先Unsafe的getAndAddInt方法，获取当前数值，然后循环compareAndSwapObject验证v和delta是否相等如果不相等返回v，这里意味着A tmoicInteger值是否修改过。

接下来我们看Unsafe类

//更新变量值为x，如果当前值为expected
//o：对象 offset：偏移量 expected：期望值 x：新值
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o,
long offset,
Object expected,
Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset,
long expected,
long x);
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通过代码，我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现它是先把Boolean转换成整 型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新char、float和double变量也可以用类似 的思路来实现。

原子更新数组

通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下四个类。

AtomicIntegerArray：原子更新整型数组里的元素。

AtomicLongArray：原子更新长征信数组里的元素。

AtomicReferenceArray：原子更新引用类型数组里的元素。

以AtomicIntegerArray为例，AtomicIntegerArray的使用实例代码如下

public class AtomicIntegerArrayTest {
   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]);
  }
}
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输出的结果是3和1，这里要注意的是数组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。

原子更新引用类型

原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，则需要使用这个原子引用类型提供的类。

AtomicReference：原子更新引用类型。

AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段。

AtomicMarkableReference：原子更新带有标记的引用类型，可以以原子更新一个布尔类型的标志位和引用类型。 以AtomicReference为例，AtomicReference的使用示例代码如下

public class AtomicReferenceTest {
      public static AtomicReference<user> atomicUserRef = new
         AtomicReference<user>();
         
      public static void main(String[] args) {
          User user = new User("tim"， 15);
          atomicUserRef.set(user);
          User updateUser = new User("jack"， 17);
          atomicUserRef.compareAndSet(user， updateUser);
          System.out.println(atomicUserRef.get().getName());
          System.out.println(atomicUserRef.get().getOld());
      }
}
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代码中首先构建一个user对象，然后把user对象设置进AtomicReferenc中，最后调用 compareAndSet方法进行原子更新操作，实现原理同AtomicInteger里的compareAndSet方法。

原子更新字段类

如果效原子更新某个类的字段需要使用更新字段类

AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整数型字段更新器

AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整数字段更新器 AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。

要想原子地更新字段类需要两步。第一步，因为原子更新字段类都是抽象类，每次使用的 时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第 二步，更新类的字段（属性）必须使用public volatile修饰符。

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {
// 创建原子更新器，并设置需要更新的对象类和对象的属性
    private static AtomicIntegerFieldUpdater<User> a = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(User.class， "old");
      public static void main(String[] args) {
      // 设置柯南的年龄是10岁
        User conan = new User("tim"， 10);
      // 柯南长了一岁，但是仍然会输出旧的年龄
        System.out.println(a.getAndIncrement(conan));
      // 输出柯南现在的年龄
       System.out.println(a.get(conan));
}
      public static class User {
         private String name;
         public volatile int old;
         public User(String name， int old) {
             this.name = name;
             this.old = old;
        }
        
         public String getName() {
             return name;
        }
public int getOld() {
      return old;
    }
  }
}
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图中给出了工作量较低以及适中的情况下的吞吐量。如果线程计算量少，那么在锁和原子变量上竞争会非常激烈。如果线程本地计算量多，那么锁和原子变量竞争就会降低。从图中可以看出，在高度竞争的状态下，锁的性能将超过原子变量的性能，但在真实情况下，原子变量的性能将超过锁的性能。比如说在交通拥堵的时候，红路灯交通信号可以能让更多的车通行，在道路不拥堵时，环形交通则有更多的车辆。