CAS原子操作

原子操作

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，当某次操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何中断。
举个例子：

A想要从自己的帐户中转1000块钱到B的帐户里。那个从A开始转帐，到转帐结束的这一个过程，称之为一个事务。在这个事务里，要做如下操作：

从A的帐户中减去1000块钱。如果A的帐户原来有3000块钱，现在就变成2000块钱了。
在B的帐户里加1000块钱。如果B的帐户如果原来有2000块钱，现在则变成3000块钱了。
如果在A的帐户已经减去了1000块钱的时候，忽然发生了意外，比如停电什么的，导致转帐事务意外终止了，而此时B的帐户里还没有增加1000块钱。那么，我们称这个操作失败了，要进行回滚。回滚就是回到事务开始之前的状态，也就是回到A的帐户还没减1000块的状态，B的帐户的原来的状态。此时A的帐户仍然有3000块，B的帐户仍然有2000块。

我们把这种要么一起成功（A帐户成功减少1000，同时B帐户成功增加1000），要么一起失败（A帐户回到原来状态，B帐户也回到原来状态）的操作叫原子性操作。

如果把一个事务可看作是一个程序,它要么完整的被执行,要么完全不执行。这种特性就叫原子性。

CAS

Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制，采用这种无锁的原子操作可以实现线程安全，避免加锁的笨重性。
CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）、新值(B)。
如果内存位置的值与预期原值相等，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。
无论哪种情况，它都会在CAS指令之前返回该位置的值。CAS有效地说明了“我认为位置V应该包含值A；如果包含该值，则将B放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。”
在java中可以通过循环CAS的方式来实现原子操作。

CAS是实现自旋锁的基础，CAS 利用 CPU 指令保证了操作的原子性，以达到锁的效果，循环这个指令，直到成功为止。
java提供的CAS原子操作类AtomicInteger等，核心就是CAS（CompareAndSwap）。

注意：原子操作和锁是一样的一种可以保证线程安全的方式，如何让线程安全就看如何使用锁或者如何使用原子操作CAS使用了正确的原子操作，所以保证了线程安全。

原子操作类

当高并发的情况下，对于基本数据类型或者引用数据类型的操作，可能会产生线程安全问题，为了避免多线程问题的处理方式一般有加锁，但是加锁会影响性能，所以这个时候可以考虑使用原子操作类。CAS由于是在硬件方面保证的原子性，不会锁住当前线程，所以执行效率是很高的。
常见的原子操作类：
在这里插入图片描述

实战

1，多线程累加一个较大的数值，比较原子操作类和加锁各自的耗时。

public class AtomicIntegerDemo {
    
    static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//        test();
        Synch synch = new Synch();
        synch.start();
        synch.join();
        atomic();

//        System.out.println(add());
    }

    //使用加锁累加
    static class Synch extends Thread {
        @Override
        public void run() {
            //使用原子操作类统计
            long startTime = System.currentTimeMillis();
            int count = 1;
//            synchronized (this) {
//                for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
//                    count++;
//                }
//            }
            for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
                synchronized (this) {
                    count++;
                }
            }
            long endTime = System.currentTimeMillis();
            System.out.println("使用锁累加花费的时间：" + (endTime - startTime) + "......count = " + count);
        }
    }


    //使用原子操作类统计
    private static void atomic() {
        long startTime = System.currentTimeMillis();
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
        for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
            atomicInteger.incrementAndGet();
        }
        long endTime = System.currentTimeMillis();
        System.out.println("原子操作类累加花费的时间：" + (endTime - startTime) + "......count = " + atomicInteger.get());
    }

    //测试基本用法
    private static void test() {
        AtomicInteger num = new AtomicInteger(1);

        //++i
        System.out.println(num.incrementAndGet());

        //i++
        System.out.println(num.getAndIncrement());

        //CAS
        System.out.println(num.compareAndSet(3, 4));
        System.out.println(num.get());
    }

    //实现自定义的原子递增方法
    private static int add() {
        for (; ; ) {
            int i = atomicInteger.get();
            boolean b = atomicInteger.compareAndSet(i, i + 1);
            if (b) {
                return atomicInteger.get();
            }
        }
    }
}

运行结果：
在这里插入图片描述

2，使用AtomicInteger类的get方法和compareAndSet方法实现它的递增方法。

public class HalfAtomicInt {
    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);

    public void increament() {
        for (;;) {
            int i = atomicI.get();
            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }
    
    public int getCount() {
    	return atomicI.get();
    }

}

总结

好处：保证了数据的原子性，避免线程安全问题，替代加锁的性能消耗。
坏处：
1，ABA问题（并发1在修改数据时，虽然还是A，但已经不是初始条件的A了，中间发生了A变B，B又变A的变化，此A已经非彼A，数据却成功修改，可能导致错误，这就是CAS引发的所谓的ABA问题。可以使用乐观锁的方式解决。）
2，循环时间长开销大（自旋）
3，只能保证一个共享变量的原子操作（可以使用AtomicRefrence原子操作类将多个变量合并成一个对象来解决）
解决ABA问题：
AtomicMarkableReference：内部是一个boolean类型的版本号，可以记录是否被更改过。
AtomicStampedReference：内部是一个int类型的版本号，可以记录被更改的次数。

例如：使用AtomicStampedReference，避免ABA问题，查看内部是int类型的版本号。

public class AtomicStampedReferenceDemo {

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //设置初始化版本号是0
        AtomicStampedReference<String> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference("a1", 0);

        //初始的值和版本号
        String reference = atomicStampedReference.getReference();
        int stamp = atomicStampedReference.getStamp();

        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println("目前的值：" + reference + "............版本号：" + stamp
                        + "，修改结果：" + atomicStampedReference.compareAndSet(reference, "a2", stamp, stamp + 1));
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                String reference = atomicStampedReference.getReference();
                System.out.println("目前的值：" + reference + "............版本号：" + atomicStampedReference.getStamp()
                        + "，修改结果：" + atomicStampedReference.compareAndSet(reference, "a2", stamp, stamp + 1));
            }
        });

        thread1.start();
        thread1.join();
        thread2.start();
        thread2.join();
    }

}

运行结果：
在这里插入图片描述

原子操作

CAS

原子操作类

实战

总结

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