原子操作CAS-最小的线程安全

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一、原子操作是什么？

如果有两个线程分别执行两个操作A和B，从第一个线程执行A操作的角度来看，另外一个线程执行B操作，要么将B操作执行完，要么B操作

压根儿不执行，那么A操作和B操作对彼此来讲就是原子的。

二、原子操作如何实现？

1、使用锁：锁机制就是将一个操作执行完毕后，其他操作获取锁然后继续执行，通过对多个操作进行隔离，从而实现原子操作。

2、CAS：CAS是Compare And Swap的简称，即：比较并交换。这是当前的处理器基本都支持的一种指令。每个CAS指令包括三个运算符，

一个内存地址V，一个期望值A和一个新值B，CAS指令执行的时候是去判断这个地址V上的值和期望值A是否相等，相等则将地址V上的值修

改为新值B，不等则不作任何操作。CAS操作实际实现是在一个循环中不断执行CAS指令，直到成功为止。

三、为什么要使用原子操作？

1、我们知道原子操作可以通过锁来实现，但锁是一种粗粒度的操作，使用锁会存在一些问题，例如：（1）当一个线程占用了锁资源，其他

线程就被阻塞，然而被阻塞的线程的优先级又很高。此时也只能等待锁释放。如果获得锁的线程一致不释放的话那情况就更糟糕了。（2）如

果有大量的线程来竞争资源，那么CPU就需要花费大量的时间和资源来处理这些竞争。这对CPU这种稀缺资源是不利的。

2、如果我们要实现一个多线程下的程序计数器。使用锁机制无疑是笨重的。那么CAS就能很好的解决这种需求。

3、JDK的源码中非常多的类中都使用了CAS操作，了解并清楚CAS操作对阅读JDK源码是必要的。

四、CAS如何实现线程安全？

CAS实现线程安全不在代码层面处理，而是交给硬件-CPU和内存，利用CPU的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，然后加上volidate变量的

特性即可实现基于原子操作的线程安全。

五、CAS实现原子操作的三大问题

1、ABA问题：因为CAS在操作值的时候先要检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，那么所谓ABA问题就是当原来的值是A，改变

成B，然后又改变成A，那么CAS检查的时候发现值还是初始的A，并没有发生变化。然后实际上却是已经变化了。如何解决ABA问题：加版本

号，即在A变成B再变成A的时候，每一步操作加一个version，即：1A->2B->3A,这样就可以根据版本号是否有变化即可判断是否发生了ABA问题。

2、循环时间长、开销大：上面说过是在一个循环中不断执行CAS指令（自旋CAS），如果长时间都不成功的话，则会对CPU带来很大的执行开销。

3、只能保证一个共享变量的原子操作：即一个CAS操作只能保证一个共享变量的的原子性。如果有多个共享变量则不能使用CAS操作，可使用

锁。也可以将多个共享变量合并然后使用CAS操作。java1.5之后提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性。可以将多个变量放进

一个对象中然后进行CAS操作。

六、JDK中常见原子操作类的使用

1、AtomicInteger

•int addAndGet（int delta）：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。

•boolean compareAndSet（int expect，int update）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。

•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 getAndSet（int newValue）：以原子方式设置为newValue的值，并返回旧值。

2、AtomicIntegerArray

主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。

•int addAndGet（int i，int delta）：以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相加。

•boolean compareAndSet（int i，int expect，int update）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

需要注意的是，数组value通过构造方法传递进去，然后AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当AtomicIntegerArray对内部的数组元

素进行修改时，不会影响传入的数组。

3、AtomicReference

原子更新引用类型，更多具体使用可查看jdk文档

更多原子操作类，在jdk文档java.util.concurrent.atomic包下。

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