多线程之原子变量CAS算法（二）

约定不等于承诺〃 2022-09-29 13:59 271阅读 0赞

上篇博文，我们介绍了[多线程之内存可见性Volatile（一）][Volatile]，但是也遗留了一个问题，如何保证变量的"原子性操作（Atomic operations）"？

### 文章目录 ###

*   *  Volatile保证部分类型的原子性
     *  什么是CAS算法
     *  原子性问题
     *   *  i++的原子问题
     *  java利用CAS实现原子性
     *  简单例子
     *  总结

## Volatile保证部分类型的原子性 ##

上篇博文，我们说Voloatile不能保证原子性，有一点局限：  
因为在32位（4字节）处理器中，Java中读取long类型变量不是原子的，需要分成两步，如果一个线程正在修改该long变量的值，另一个线程可能只能看到该值的一半（前32位）。但是对一个volatile型的long或double变量的读写时原子的。[详解][Link 1]

这篇博文，我们给出另外一个解决方案：原子变量CAS算法。

## 什么是CAS算法 ##

CAS（Compare-And-Swap）是一种硬件对并发的支持，针对多处理器操作而设计的，处理器中的一种特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问。

CAS是一种无锁的非阻塞算法实现。是硬件对于并发操作的支持，保证了数据变量的原子性。

Cas包含了3个操作数：

1.  内存值 V
2.  预估值 A
3.  更新值 B

当且仅当 V == A 时， V = B; 否则，不会执行任何操作。

简单的来说，CAS有3个操作数，要读写的内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则返回V。这是一种乐观锁的思路，它相信在它修改之前，没有其它线程去修改它。

## 原子性问题 ##

在数据库中事务必须要有原子性，它所做的对数据改操作要全部执行，要么全部不执行。此时的原子性是相同的概念。  
我们看一下i++的原子性问题

### i++的原子问题 ###

i++的操作实际上分为三个步骤"读-改-写"。

int i = 10;
    i = i++; //10
    
    //i++，实际上执行了下面三步：
    int temp = i;
    i = i + 1;
    i = temp;

只有这三步同时执行成功或失败，就是一个原子操作。

## java利用CAS实现原子性 ##

我们知道在java.util.concurrent.atomic包下，java利用CAS算法给我们提供原子操作的类：

1.  类AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong和AtomicReference的实例各自提供了对相应类型单个变量的访问和更新。每个类也为该类型提供适当的实用工具方法。
2.  AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray类进一步扩展了原子操作，对这些类型的数组提供了支持。这些类在为其数组元素提供volatile访问语义方面也引人注目，这对于普通数组来说是不受支持的。
3.  核心方法

public final boolean compareAndSet(long expect, long update)

下面我们看一个简单实例：

## 简单例子 ##

public class TestAtomicDemo {
    
    	public static void main(String[] args) {
    		
    		AtomicDemo ad = new AtomicDemo();
    		
    		for(int i =0;i<10;i++){
    			new Thread(ad).start();
    		}
    	}
    }
    
    class AtomicDemo implements Runnable{
    	
    	private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger();
    
    	@Override
    	public void run() {
    		
    		try {
    			Thread.sleep(200);
    		} catch (InterruptedException e) {
    			e.printStackTrace();
    		}
    		
    		System.out.println(getSerialNumber());
    	}
    	
    	public int getSerialNumber(){
    		return serialNumber.getAndIncrement();
    	}
    }

执行结果：  
![这里写图片描述][format_png]

10子线程并发访问serialNumber，不断执行加1操作，保证原子性。原理图：  
![这里写图片描述][format_png 1]

## 总结 ##

可以用CAS在无锁的情况下实现原子操作，但要明确应用场合，非常简单的操作且又不想引入锁可以考虑使用CAS操作，当想要非阻塞地完成某一操作也可以考虑CAS。不推荐在复杂操作中引入CAS，会使程序可读性变差，且难以测试，同时会出现问题。

下篇博文我们介绍创建线程的方式之一：实现Callable接口

[Volatile]: http://blog.csdn.net/jiuqiyuliang/article/details/62216574
[Link 1]: http://www.cnblogs.com/louiswong/p/5951895.html
[format_png]: /images/20220708/a1e51508e0e6410faba90a048c313b9e.png
[format_png 1]: /images/20220708/5a178ebdf8e84c7a93167e0e489cf7ff.png