Java多线程之AtomicReference,CAS

首先明白一个知识点，乐观锁和悲观锁是啥

乐观锁:

每次不加锁而是假设没有冲突而去完成某项操作，如果因为冲突失败就重试，直到成功为止

悲观锁:

通过使用一致的锁定协议来协调对共享状态的访问，可以确保无论哪个线程持有共享变量的锁，都采用独占的方式来访问这些变量

乐观锁的代表就是CAS,而悲观锁的代表就是synchronized

悲观锁比较简单重点就在于乐观锁玩法比较多

CAS:

CAS是项乐观锁技术，当多个线程尝试使用CAS同时更新同一个变量时，只有其中一个线程能更新变量的值，而其它线程都失败，失败的线程并不会被挂起，而是被告知这次竞争中失败，并可以再次尝试。

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，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。

Java对CAS的支持

在JDK1.5 中新增java.util.concurrent(J.U.C)就是建立在CAS之上的。相对于对于synchronized这种阻塞算法，CAS是非阻塞算法的一种常见实现。所以J.U.C在性能上有了很大的提升。

我们以java.util.concurrent中的AtomicInteger为例，看一下在不使用锁的情况下是如何保证线程安全的。主要理解getAndIncrement方法，该方法的作用相当于 ++i 操作。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {  

        private volatile int value;  

    public final int get() {  
        return value;  
    }  

    public final int getAndIncrement() {  
        for (;;) {  
            int current = get();  
            int next = current + 1;  
            if (compareAndSet(current, next))  
                return current;  
        }  
    }  

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
    }  
}

这里面有一个知识点如：unsafe,先带着这个疑问我先说代码意思

在没有锁的机制下需要字段value要借助volatile，保证线程间的数据是可见的。这样在获取变量的值的时候才能直接读取。然后来看看++i是怎么做到的

getAndIncrement采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

AtomicInteger中就利用了volatile可见性和CAS的原子性实现了多线程安全

接着Unsafe是啥呢 他就有CAS的功能

Unsafe

java不能直接访问操作系统底层，而是通过本地方法来访问。Unsafe类提供了硬件级别的原子操作

主要提供了以下功能：

1、通过Unsafe类可以分配内存，可以释放内存；

类中提供的3个本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分别用于分配内存，扩充内存和释放内存，与C语言中的3个方法对应。

2、可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的；

public native long allocateMemory(long l);
public native long reallocateMemory(long l, long l1);
public native void freeMemory(long l);

3、挂起与恢复

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。

public class LockSupport {
    public static void unpark(Thread thread) {
        if (thread != null)
            unsafe.unpark(thread);
    }

    public static void park(Object blocker) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(false, 0L);
        setBlocker(t, null);
    }

    public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) {
        if (nanos > 0) {
            Thread t = Thread.currentThread();
            setBlocker(t, blocker);
            unsafe.park(false, nanos);
            setBlocker(t, null);
        }
    }

    public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
        Thread t = Thread.currentThread();
        setBlocker(t, blocker);
        unsafe.park(true, deadline);
        setBlocker(t, null);
    }

    public static void park() {
        unsafe.park(false, 0L);
    }

    public static void parkNanos(long nanos) {
        if (nanos > 0)
            unsafe.park(false, nanos);
    }

    public static void parkUntil(long deadline) {
        unsafe.park(true, deadline);
    }
}

4、CAS操作

是通过compareAndSwapXXX方法实现的

/**
* 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新。此更新是不可中断的。
* 
* @param obj 需要更新的对象
* @param offset obj中整型field的偏移量
* @param expect 希望field中存在的值
* @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
* @return 如果field的值被更改返回true
*/
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

CAS操作有3个操作数，内存值M，预期值E，新值U，如果M==E，则将内存值修改为B，否则啥都不做

CAS的隐藏问题ABA

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的数据，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这时候另一个线程two也从内存中取出A，并且two进行了一些操作变成了B，然后two又将V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后one操作成功。尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。

部分乐观锁的实现是通过版本号（version）的方式来解决ABA问题，乐观锁每次在执行数据的修改操作时，都会带上一个版本号，一旦版本号和数据的版本号一致就可以执行修改操作并对版本号执行+1操作，否则就执行失败。因为每次操作的版本号都会随之增加，所以不会出现ABA问题，因为版本号只会增加不会减少。

AtomicReference

AtomicReference是作用是对”对象”进行原子操作。

Api:

// 使用 null 初始值创建新的 AtomicReference。
AtomicReference()
// 使用给定的初始值创建新的 AtomicReference。
AtomicReference(V initialValue)

// 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
boolean compareAndSet(V expect, V update)
// 获取当前值。
V get()
// 以原子方式设置为给定值，并返回旧值。
V getAndSet(V newValue)
// 最终设置为给定值。
void lazySet(V newValue)
// 设置为给定值。
void set(V newValue)
// 返回当前值的字符串表示形式。
String toString()
// 如果当前值 == 预期值，则以原子方式将该值设置为给定的更新值。
boolean weakCompareAndSet(V expect, V update)

源码分析

public class AtomicReference  implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = -1848883965231344442L;

    // 获取Unsafe对象，Unsafe的作用是提供CAS操作
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
      try {
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicReference.class.getDeclaredField("value"));
      } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // volatile类型
    private volatile V value;

    public AtomicReference(V initialValue) {
        value = initialValue;
    }

    public AtomicReference() {
    }

    public final V get() {
        return value;
    }

    public final void set(V newValue) {
        value = newValue;
    }

    public final void lazySet(V newValue) {
        unsafe.putOrderedObject(this, valueOffset, newValue);
    }

    public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
    }

    public final boolean weakCompareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
    }

    public final V getAndSet(V newValue) {
        while (true) {
            V x = get();
            if (compareAndSet(x, newValue))
                return x;
        }
    }

    public String toString() {
        return String.valueOf(get());
    }
}

结语：
有了之前的AtomicInteger例子，理解起来就简单了,它是通过”volatile”和”Unsafe提供的CAS函数实现”原子操作。
(01) value是volatile类型。这保证了：当某线程修改value的值时，其他线程看到的value值都是最新的value值，即修改之后的volatile的值。
(02) 通过CAS设置value。这保证了：当某线程池通过CAS函数(如compareAndSet函数)设置value时，它的操作是原子的，即线程在操作value时不会被中断

实例不使用synchronized和lock，如何实现一个线程安全的单例？

这其实是一道面试题，也可以换一下

能否不使用同步和锁实现实现多线程安全并发

相信有了之前的知识，很好解决这道题，就是AtomicReference

public class Singleton {
    private static final AtomicReference INSTANCE = new AtomicReference(); 

    private Singleton() {}

    public static Singleton getInstance() {
        for (;;) {
            Singleton singleton = INSTANCE.get();
            if (null != singleton) {
                return singleton;
            }

            singleton = new Singleton();
            if (INSTANCE.compareAndSet(null, singleton)) {
                return singleton;
            }
        }
    }
}