JUC并发编程--------CAS、原子操作类

什么是原子操作？如何实现原子操作？

什么是原子性？

事务的一大特性就是原子性（事务具有ACID四大特性），一个事务包含多个操作，这些操作要么全部执行，要么全都不执行

并发里的原子性和原子操作是一样的内涵和概念，假定有两个操作A和B都包含多个步骤，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，执行B的线程看A的操作也是一样的，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？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。为了解决这个问题，Java提供了Atomic系列的原子操作类。

这些原子操作类其实是使用当前的处理器基本都支持CAS的指令，比如Intel的汇编指令cmpxchg，每个厂家所实现的具体算法并不一样，但是原理基本一样。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 ：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。自然CAS操作执行完成时，在业务上不一定完成了，这个时候我们就会对CAS操作进行反复重试，于是就有了循环CAS。很明显，循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。Java中的Atomic系列的原子操作类的实现则是利用了循环CAS来实现

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。

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

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。

Atomic系列

概述：java从JDK1.5开始提供了java.util.concurrent.atomic包(简称Atomic包)，这个包中的原子操作类提供了一种用法简单，性能高效，线程安全地更新一个变量的方式。因为变量的类型有很多种，所以在Atomic包里一共提供了13个类，属于4种类型的原子更新方式，分别是原子更新基本类型、原子更新数组、原子更新引用和原子更新属性(字段)。本次我们只讲解

原理：

有3个操作数（内存值V， 旧的预期值A，要修改的值B）

当旧的预期值A == 内存值 此时修改成功，将V改为B

当旧的预期值A！=内存值 此时修改失败，不做任何操作并重新获取现在的最新值，再重复之前的方法（这个重新获取的动作就是自旋）

使用原子的方式更新基本类型，使用原子的方式更新基本类型Atomic包提供了以下3个类：

1. AtomicBoolean： 原子更新布尔类型
2. AtomicInteger： 原子更新整型
3. AtomicLong： 原子更新长整型

以上3个类提供的方法几乎一模一样，所以本节仅以AtomicInteger为例进行讲解，AtomicInteger的常用方法如下：

• public AtomicInteger()：                 初始化一个默认值为0的原子型Integer
• public AtomicInteger(int initialValue)：  初始化一个指定值的原子型Integer
• int get():                              获取值
• 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 incrementAndGet():                   以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增后的值。
• int addAndGet(int data):                 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。
• int getAndSet(int value):                以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
•  boolean compareAndSet(int expect, int update)  于传入的expect值进行比较，如果当前值等于expect值，则更新为update。

代码实现：

package com.itheima.threadatom3;
​
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
​
public class MyAtomIntergerDemo1 {
//    public AtomicInteger()：                  初始化一个默认值为0的原子型Integer
//    public AtomicInteger(int initialValue)： 初始化一个指定值的原子型Integer
    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger ac = new AtomicInteger();
        System.out.println(ac);
​
        AtomicInteger ac2 = new AtomicInteger(10);
        System.out.println(ac2);
    }
​
}
package com.itheima.threadatom3;
​
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
​
public class MyAtomIntergerDemo2 {
//    int get():                获取值
//    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 incrementAndGet():     以原子方式将当前值加1，注意，这里返回的是自增后的值。
//    int addAndGet(int data):   以原子方式将参数与对象中的值相加，并返回结果。
//    int getAndSet(int value):  以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。
    public static void main(String[] args) {
//        AtomicInteger ac1 = new AtomicInteger(10);
//        System.out.println(ac1.get());
​
//        AtomicInteger ac2 = new AtomicInteger(10);
//        int andIncrement = ac2.getAndIncrement();
//        System.out.println(andIncrement);
//        System.out.println(ac2.get());
​
//        AtomicInteger ac3 = new AtomicInteger(10);
//        int i = ac3.incrementAndGet();
//        System.out.println(i);//自增后的值
//        System.out.println(ac3.get());
​
//        AtomicInteger ac4 = new AtomicInteger(10);
//        int i = ac4.addAndGet(20);
//        System.out.println(i);
//        System.out.println(ac4.get());
​
        AtomicInteger ac5 = new AtomicInteger(100);
        int andSet = ac5.getAndSet(20);
        System.out.println(andSet);
        System.out.println(ac5.get());
    }
}

对于非基本类型可以使用 AtomicReference 

代码演示：

  public static void main(String[] args) {

        StudentDemo studentDemo = new StudentDemo();
        studentDemo.setName("张三");
        studentDemo.setAge(18);
        studentDemo.setSco(100f);

        AtomicReference atomicReference = new AtomicReference(studentDemo);
        StudentDemo studentDemo2 = new StudentDemo();
        studentDemo2.setName("李四");
        Object o = atomicReference.get();
        studentDemo2.setName("王五");
        atomicReference.compareAndSet(o,studentDemo2);

    }

正如前面所讲过的aba问题，Atomic还提供了区别版本号的方法类

AtomicStampedReference代码演示

 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicStampedReference bigDecimalAtomicReference = new AtomicStampedReference<>(new BigDecimal("10000"), 0);
 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
 
            Thread x = new Thread(() -> {
 
 
                while (true) {
                    BigDecimal bigDecimal = bigDecimalAtomicReference.getReference();
                    BigDecimal subtract = bigDecimal.subtract(BigDecimal.TEN);
                    int stamp = bigDecimalAtomicReference.getStamp();
                    if (bigDecimalAtomicReference.compareAndSet(bigDecimal, subtract, stamp, stamp + 1)) {
                        System.out.println(bigDecimalAtomicReference.getReference());
                        break;
                    }
                }
 
            });
            x.start();
            x.join();
        }
    }

 AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如：
A - > B - > A - > C ，通过 AtomicStampedReference ，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。

但是有时候，并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心 是否更改过 ，所以就有了AtomicMarkableReference

AtomicMarkableReference代码演示

  AtomicMarkableReference bigDecimalAtomicReference = new AtomicMarkableReference<>(new BigDecimal("10000"), true);
 
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
 
            Thread x = new Thread(() -> {
 
 
                while (true) {
                    BigDecimal bigDecimal = bigDecimalAtomicReference.getReference();
                    BigDecimal subtract = bigDecimal.subtract(BigDecimal.TEN);
                    if (bigDecimalAtomicReference.compareAndSet(bigDecimal, subtract, true, false)) {
                        System.out.println(bigDecimalAtomicReference.getReference());
                        break;
                    }
                }
 
            });
            x.start();
            x.join();
        }
    }

AtomicMarkableReference 提供了一个标记，在修改成功的时候把标记也一起修改，待到下一次变更的时候，如果标记改变了，则说明已经变化过值。

LongAdder

LongAdder 是并发大师 @author Doug Lea （大哥李）的作品，设计的非常精巧
 

LongAdder 类有几个关键域
// 累加单元数组 , 懒惰初始化
transient volatile Cell [] cells ;
// 基础值 , 如果没有竞争 , 则用 cas 累加这个域
transient volatile long base ;
// 在 cells 创建或扩容时 , 置为 1, 表示加锁
transient volatile int cellsBusy ;
伪共享原理



// 防止缓存行伪共享
@sun.misc.Contended
static final class Cell {
 volatile long value;
 Cell(long x) { value = x; }

 // 最重要的方法, 用来 cas 方式进行累加, prev 表示旧值, next 表示新值
 final boolean cas(long prev, long next) {
 return UNSAFE.compareAndSwapLong(this, valueOffset, prev, next);
 }
 // 省略不重要代码
}

cell为累加单元，而方法上的@sun.misc.Contended 的作用在下面介绍

需要重缓存说起，在操作系统种由以下几中数据读取放方式，从cpu内部寄存器、一级缓存、二级缓存、三级缓存、内存

现在比较以下内存与缓存的数据差别

因为 CPU 与 内存的速度差异很大，需要靠预读数据至缓存来提升效率。
而缓存以缓存行为单位，每个缓存行对应着一块内存，一般是 64 byte （ 8 个 long ）
缓存的加入会造成数据副本的产生，即同一份数据会缓存在不同核心的缓存行中
CPU 要保证数据的一致性，如果某个 CPU 核心更改了数据，其它 CPU 核心对应的整个缓存行必须失效

因为 Cell 是数组形式，在内存中是连续存储的，一个 Cell 为 24 字节（ 16 字节的对象头和 8 字节的 value ），因
此缓存行可以存下 2 个的 Cell 对象。这样问题来了：
Core-0 要修改 Cell[0]
Core-1 要修改 Cell[1]
无论谁修改成功，都会导致对方 Core 的缓存行失效，比如 Core-0 中 Cell[0]=6000, Cell[1]=8000 要累加
Cell[0]=6001, Cell[1]=8000 ，这时会让 Core-1 的缓存行失效
@sun.misc.Contended 用来解决这个问题，它的原理是在使用此注解的对象或字段的前后各增加 128 字节大小的
padding ，从而让 CPU 将对象预读至缓存时占用不同的缓存行，这样，不会造成对方缓存行的失效

对于LongAdder来说，内部有一个base变量，一个Cell[]数组。

在实际运用的时候，只有从未出现过并发冲突的时候，base基数才会使用到，一旦出现了并发冲突，之后所有的操作都只针对Cell[]数组中的单元Cell。

而LongAdder最终结果的求和(如上图)，并没有使用全局锁，返回值不是绝对准确的，因为调用这个方法时还有其他线程可能正在进行计数累加，所以只能得到某个时刻的近似值，这也就是LongAdder并不能完全替代LongAtomic的原因之一。

而且从测试情况来看，线程数越多，并发操作数越大，LongAdder的优势越大，线程数较小时，AtomicLong的性能还超过了LongAdder。