原子变量与CAS算法小结

CAS算法

• 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更新V的值，否则不会执行任何操作。

CAS操作过程如下所示

CAS算法模拟

/**
 * 模拟CAS算法
 *
 * Created by 吴海飞 on 2017-1-22.
 */
public class TestCompareAndSwap {
    public static void main(String[] args){
        final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap();

        for (int i = 0; i < 10; i++ ){
            new Thread(new Runnable() {
                        @Override
                        public void run() {
                            int expectValue = cas.getValue();
                            boolean b = cas.compareAndSet(expectValue, (int)(Math.random() * 101));
                            System.out.println(b);
                        }
                    }
            ).start();
        }

    }
}

class CompareAndSwap{
    private int value;

    //获取内存值
    public synchronized int getValue(){
        return this.value;
    }
    //比较
    public synchronized int compareAndSwap(int expectValue,int newValue){
        int oldValue = this.value;
        if(oldValue == expectValue){//如果期望值等于旧值
            this.value = newValue;
        }
        return oldValue;
    }

    public synchronized boolean compareAndSet(int expectValue,int newValue){
        return expectValue == compareAndSwap(expectValue, newValue);
    }

}

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)

  • java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子操作的常用类:

    1. AtomicBoolean 、 AtomicInteger 、 AtomicLong 、AtomicReference
    2. AtomicIntegerArray 、 AtomicLongArray
    3. AtomicMarkableReference
    4. AtomicReferenceArray
    5. AtomicStampedReference

  原子变量使用Demo

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 *一、i++ 的原子性问题：i++ 的操作实际上分为三个步骤“读-改-写”
 *        int i = 10;
 *        i = i++; //10
 *
 *        int temp = i;
 *        i = i + 1;
 *        i = temp;
 * 二、原子变量：在 java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子变量。
 *      1. volatile 保证内存可见性
 *      2. CAS（Compare-And-Swap） 算法保证数据变量的原子性
 *          CAS 算法是硬件对于并发操作的支持
 *          CAS 包含了三个操作数：
 *          ①内存值  V
 *          ②预估值  A
 *          ③更新值  B
 *          当且仅当 V == A 时， V = B; 否则，不会执行任何操作。
 */

public class AtomicDemo {
    public static void main(String[] args) {
        AtomicData ad = new AtomicData();
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(ad).start();
        }
    }
}

class AtomicData implements Runnable{
    //初始化原子变量
    private AtomicInteger atomicData = new AtomicInteger(0);

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

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

    public int getAtomicData(){
        return atomicData.getAndIncrement();//相当于atomicData++
    }

}