java中原子类与CAS原理

在java.util.concurrent.atomic包中提供了很多原子类，包括三个原子更新基本类型：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong；原子更新数组：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray；原子更新引用类型：AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicMarkableReference，AtomicReference；原子更新字段类：AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater，AtomicStampedReference。

原子类的更新原理是一样的。这里我们不再详细得到介绍每一种原子更新类的使用，而是以AtomicInteger讲解原子更新基本类型的使用方式，如下为AtomicInteger提供的方法：

方法名称	方法介绍
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。
void lazySet（int newValue）	最终会设置成newValue，使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值
int getAndSet（int newValue）	以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值

如下代码为AtomicInteger的一个使用示例，其他原子操作类的使用方式基本类似，在使用示例之后我们会介绍原子操作的基本原理。

public class AtomicIntegerDemo {
    static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(1);
    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(ai.getAndIncrement());
        System.out.println(ai.get());
    }
}

下面我们介绍 AtomicInteger的更新原理，AtomicInteger是如何进项原子更新的，首先我们查看getAndIncrement方法如下：

public final int getAndIncrement() {
    //循环
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        //比较并且设置值
        if (compareAndSet(current, next))
        return current;
    }
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    //只有期待的值和更新的值一样才会更新
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

在上面的代码中我们又看到了compareAndSwap，在并发包内，这是一个使用率非常高的词，也就是我们所说的CAS操作。在CAS操作中，for循环体的第一步先取得AtomicInteger里存储的数值，第二步对AtomicInteger的当前数值进行加1操作，关键的第三步调用compareAndSet方法来进行原子更新操作，该方法先检查当前数值是否等于current，等于意味着AtomicInteger的值没有被其他线程修改过，则将AtomicInteger的当前数值更新成next的值，如果不等compareAndSet方法会返回false，程序会进
入for循环重新进行compareAndSet操作。这就是CAS的基本原理，下面我们详细的介绍CAS的使用，以及CAS在其他并发包中的使用。

CAS（Compare And Swap）比较并且交换，CAS算法中包含三个参数Cas(V, E,N)；V表示要更新的变量，E表示预期值，N表示新值。在当且仅当V值等于E值时，才会将V值设置为N，如果V值不等于E值，什么操作都不做直接返回。比如上面的代码，只有valueOffset与expect相等时，才会将valueOffset设置为update。其实CAS是采取乐观锁的思想，总是认为自己可以完成操作，这里就引入了自旋的操作，也就是上面代码中的for(;;)，如果设置失败，将会一直自旋，直到设置成功为止。JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。如下为java提供的三个CAS方法：

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);

虽然CAS采取了无锁的方式保证了原子操作，但是也产生了一个新的问题也就是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。因此如果有两个线程，第一个线程从内存取出的值为A，第二个线程取出的也是A，如果它先更改为变成了B，再更改为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。这就是ABA问题。

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。从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

java中原子类与CAS原理

猜你喜欢