讲义整理-原子操作 CAS

向右看齐 2023-01-14 05:53 215阅读 0赞

### 讲义整理-并发编程 ###

*  原子操作 CAS
 *   *  什么是原子操作？如何实现原子操作？
     *   *  CAS 是怎么实现线程的安全呢？
     *  CAS 实现原子操作的三大问题
     *   *  ABA 问题
         *  循环时间长开销大
         *  只能保证一个共享变量的原子操作
     *  Jdk 中相关原子操作类的
     *   *  AtomicInteger
         *  AtomicIntegerArray
         *  更新引用类型
         *   *  AtomicReference
             *  AtomicStampedReference
             *  AtomicMarkableReference
         *  原子更新字段类
         *   *  AtomicIntegerFieldUpdater
             *  AtomicLongFieldUpdater
             *  AtomicReferenceFieldUpdater

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# 原子操作 CAS #

## 什么是原子操作？如何实现原子操作？ ##

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。

实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制，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.

**这里会有些问题：**

*  首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？
 *  其次，如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？（这种情况是非常糟糕的）。
 *  还有一种情况，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，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，
 *  最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。

实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持 CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，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，否则不做任何事儿，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。

### 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 变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。

![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L2tlZW5zdHlsZQ_size_16_color_FFFFFF_t_70]

## CAS 实现原子操作的三大问题 ##

### 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，但是如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 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。

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。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是 ABA 问题。

如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初始值 0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

### 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 ##

参见代码，包 cn.enjoyedu.ch3

### AtomicInteger ###

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

### AtomicIntegerArray ###

主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。

*  int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引 i 的元素相加。
 *  boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置 i 的元素设置成 update 值。

需要注意的是，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。

### 更新引用类型 ###

原子更新基本类型的 AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic 包提供了以下 3个类。

#### AtomicReference ####

原子更新引用类型。

#### AtomicStampedReference ####

利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在 ABA问题了。这就是 AtomicStampedReference 的解决方案。AtomicMarkableReference跟 AtomicStampedReference 差不多，AtomicStampedReference 是使用 pair 的 int stamp 作为计数器使用，AtomicMarkableReference 的 pair 使用的是 boolean mark。  
还是那个水的例子，AtomicStampedReference 可能关心的是动过几次，AtomicMarkableReference 关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。

#### AtomicMarkableReference ####

原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是 AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。

### 原子更新字段类 ###

如果需原子地更新某个类里的某个字段时，就需要使用原子更新字段类，Atomic 包提供了以下 3 个类进行原子字段更新。

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。

#### AtomicIntegerFieldUpdater ####

原子更新整型的字段的更新器。

#### AtomicLongFieldUpdater ####

原子更新长整型字段的更新器。

#### AtomicReferenceFieldUpdater ####

原子更新引用类型里的字段。

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