4-7 CAS实现原理

一、什么是原子操作

一个或多个操作在CPU执行过程中不被中断的特性，这些操作的执行顺序不能被打乱。

举个例子：

//就是一个原子操作
int i = 1;
// 非原子操作,i++被分割成3步，第一步读取i的值，第二步计算i+1；第三部将最终值赋值给i
i++;

二、如何保证原子操作

锁和自旋CAS实现原子操作。

CAS是Compare and swap的简称，这个操作是硬件级别的操作，在硬件层面保证了操作的原子性。CAS有3个操作数，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，否则什么都不做。Java中的sun.misc.Unsafe类提供了compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等几个方法实现CAS。

cas操作类

参考自 https://www.cnblogs.com/54chensongxia/p/11910681.html

三、CAS实现原理

我们知道synchronized是一种独占锁、悲观锁，java.util.concurrent中借助了CAS指令实现了一种区别于synchronized的一种乐观锁 乐观锁概念为，每次拿数据的时候都认为别的线程不会修改这个数据，所以不会上锁，但是在更新的时候会判断一下在此期间别的线程有没有修改过数据，乐观锁适用于读操作多的场景，这样可以提高程序的吞吐量。

下面通过一张图来理解下cas(比较并交换)：

原子操作-cas

通过上图可以看到cas会出现当一个线程修改数据后，造成其他线程读取不到期望值，从而引起死循环问题。以及只能保证一个共享变量的原子操作。除了这两个问题外还有个ABA问题没有体现出来，我们再画张图描述下，什么是ABA。

CAS-ABA问题

四、原子类操作示例

通过共享变量value自增例子，可以看到会产生并发问题。最终value值并不符合预期20000.

public class AtomicMain {
    private static int value = 0;
    public static void main(String[] args){
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(4,
                5,
                1,
                TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(10));
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            threadPoolExecutor.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 4000; j++) {
                    value++;
                }
            });
        }
        threadPoolExecutor.shutdown();
        // 主线程休眠，确保线程池执行完毕.
        try {
            Thread.sleep(3_000);
            System.out.println("最终value:" + value);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
    }

}

使用原子类AtomicInteger自增，AtomicInteger提供原子操作来进行Integer的使用，每次执行结果都输出预期结果20000。

public class AtomicMain {
    // 使用原子类AtomicInteger
    private static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    public static void main(String[] args) {
        ThreadPoolExecutor threadPoolExecutor = new ThreadPoolExecutor(4,
                5,
                1,
                TimeUnit.SECONDS,
                new ArrayBlockingQueue<>(10));
        for (int i = 0; i < 5; i++) {
            threadPoolExecutor.execute(() -> {
                for (int j = 0; j < 4000; j++) {
                    // i++
                    atomicInteger.getAndIncrement();
                    // atomicInteger.incrementAndGet() ++i
                }

            });
        }
        threadPoolExecutor.shutdown();
        // 主线程休眠，确保线程池执行完毕.
        try {
            Thread.sleep(3_000);
            System.out.println("最终value:" + atomicInteger.get());
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

    }

}