JUC-002-JUC原子变量与CAS算法

i++

i++的执行步骤分析：“读-改-写”。
读：先把i的值交给一个临时变量。
改：i = i + 1;
写：返回temp值。

因为i++不是一个单一的操作，它由三步构成，所以i++不是一个原子操作。

CAS算法保证原子性

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的实现。
CAS 包含了 3 个操作数：
- 需要读写的内存值 V
- 进行比较的值 A
- 拟写入的新值 B

当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS 通过原子方式用新值 B 来更新 V 的值，否则不会执行任何操作（比较和替换是一个原子操作）。

原子变量

类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。事实上，此包中的类可将volatile 值、字段和数组元素的概念扩展到那些也提供原子条件更新操作的类。
类AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong 和AtomicReference 的实例各自提供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。
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。

• 核心方法：boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue)：将被内部使用用来做CAS判断

java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子操作的常用类:
- AtomicBoolean 、AtomicInteger 、AtomicLong 、 AtomicReference
- AtomicIntegerArray 、AtomicLongArray
- AtomicMarkableReference
- AtomicReferenceArray
- AtomicStampedReference

测试代码

TestCASAtmoic.java

package top.itcourse.juc;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

import org.junit.Test;

/** 
* @author 微信公众号：JavaWeb架构师
* @version 创建时间：5 Jan 2018 19:48:46 
*/
/**
 * i++的原子性问题。
 */
public class TestCASAtomic {

    /*
     *  1.i++的执行步骤分析：“读-改-写”
     */
    @Test
    public void test1() {
        int i = 10;
        i = i++;
        System.out.println(i);  // 10
        /*
         * i = i++分析：
         *  i++:{
         *      int temp = i;
         *      i = i + 1;  // i = 11
         *      return temp;
         *  }
         * 
         *  i = i++;{
         *      i = temp;   // i = 10
         *  }
         */
    }

    /*
     * 2.原子性问题重现 (记得改成main函数，@Test中不支持多线程)
     */
    @Test
    public void test2() {
        AtomicIPlusPlus1 aipp = new AtomicIPlusPlus1();
        // 新建十个线程同时进行i++，其中一些线程的打印值是一样的
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(aipp).start();
        }
    }

    /*
     * CAS算法保证原子性（Compara-And-Swap）：
     *      1.内存中值：V
     *      2.运算完成后预估值：A
     *      3.待更新到主存中的值：B
     *  更新条件：if( V == A ) V = B;否则，回滚到最初。
     *  举例：i = 10; i++;
     *      线程一进行i++操作，这时候主存中i值是0（V=0），然后完成三步操作，得到B值11；
     *      线程二这时候从主存中读取i值，顺利完成i++操作。i = 11;
     *      线程一继续，再次读取主存中i值（A=1），发现V != A,那么回滚所有操作。
     */
    public static void main(String[] args) {
        AtomicIPlusPlus2 aipp = new AtomicIPlusPlus2();
        // 新建十个线程同时进行i++，其中一些线程的打印值是一样的
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(aipp).start();
        }
    }
}

// 保证了原子性:AtomicInteger
class AtomicIPlusPlus2 implements Runnable {

    private AtomicInteger i = new AtomicInteger();

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(getI());
    }

    public int getI() {
        return i.getAndIncrement();
    }
}


// 多线程下，测试i++的原子性操作问题：没有保证原子性
class AtomicIPlusPlus1 implements Runnable {

    private int i = 0;

    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(200);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println(getI());
    }

    public int getI() {
        return i++;
    }
}

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