java中原子操作的实现分析

一、CAS原理：

CAS的全程即Compare And Swap，翻译成中文为比较并交换；

CAS操作依赖于CPU指令CMPXCHG来实现比较并交换操作的原子性，通过查看HotSpot源码如下：

可以看到这个实现跟CPU的类型相关，程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行，就为cmpxchg指令加上lock前缀（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在单处理器上运行，就省略lock前缀（单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性，不需要lock前缀提供的内存屏障效果）。

二、AtomicInteger源码分析：

以AtomicInteger类的实现源码分析，其他原子操作类的代码类似；

AtomicInteger封装了对int类型的原子操作，通过类的接口操作int数据都是原子性的，不会造成在多线程环境中脏数据的读写；实现int的原子操作是通过unsafe接口函数操作完成的（比如putOrderedInt、compareAndSwapInt等），unsafe接口函数都是本地函数；

在AtomicInteger类中定义了一个int类型的变量：

接口函数：

getAndSet:

调用compareAndSet比较current和value值是否相等，如果相等就设置为newValue并返回True，否则返回False；

如果compareAndSet返回false，则说明value值已经是脏数据（被其他线程修改过），因此会一直循环下去，直至compareAndSet返回True则返回；

getAndIncrement：

与上面的类似，如果compareAndSet返回false，则会一致循环下去，直至compareAndSet返回True则返回；

同样的效果也能通过锁来达到，但是原子操作的开销比锁的开销小很多；

incrementAndGet：

与上面的类似，如果compareAndSet返回false，则会一致循环下去，直至compareAndSet返回True则返回；

compareAndSet调用了unsafe.compareAndSwapInt，unsafe.compareAndSwapInt是本地方法，调用操作系统原生程序；通过查看jdk源码发现其实是调用了CMPXCHG指令；

由于AtomicInteger采用了无限循环的方式来操作，因此称作自旋CAS方式；CAS方式存在三大问题：

1、ABA问题：因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，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一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。

从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

　　　　　　public boolean compareAndSet (V expectedReference,//预期引用

V newReference,//更新后的引用

int expectedStamp, //预期标志

　　　　  int newStamp) //更新后的标志

2、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。

3、只能保证一个共享变量的原子操作：当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，或者有一个取巧的办法，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Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。