CAS&Atomic原子操作详解

junziln2022年1月12日约 2787 字大约 9 分钟

CAS&Atomic原子操作详解

Atomic原子操作类介绍

在并发编程中很容易出现并发安全的问题，有一个很简单的例子就是多线程更新变量i=1,比如多个线程执行i++操作，就有可能获取不到正确的值，而这个问题，最常用的方法是通过Synchronized进行控制来达到线程安全的目的。但是由于synchronized是采用的是悲观锁策略，并不是特别高效的一种解决方案。实际上，在J.U.C下的atomic包提供了一系列的操作简单，性能高效，并能保证线程安全的类去更新基本类型变量，数组元素，引用类型以及更新对象中的字段类型。atomic包下的这些类都是采用的是乐观锁策略去原子更新数据，在java中则是使用CAS操作具体实现。

在包里提供了一组原子操作类：

原子类型累加器（jdk1.8增加的类）：DoubleAccumulator、DoubleAdder、LongAccumulator、LongAdder、Striped64

//以原子的方式将实例中的原值加1，返回的是自增前的旧值；理解为i++
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
 
//getAndSet(int newValue)：将实例中的值更新为新值，并返回旧值；
public final boolean getAndSet(boolean newValue) {
    boolean prev;
    do {
        prev = get();
    } while (!compareAndSet(prev, newValue));
    return prev;
}
 
//incrementAndGet() ：以原子的方式将实例中的原值进行加1操作，并返回最终相加后的结果；
public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
 
//addAndGet(int delta) ：以原子方式将输入的数值与实例中原本的值相加，并返回最后的结果；
public final int addAndGet(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta) + delta;

测试

public class AtomicIntegerTest {
    static AtomicInteger sum = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {

        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            Thread thread = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    // 原子自增  CAS
                    sum.incrementAndGet();
                    //TODO
                }
            });
            thread.start();
        }

        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println(sum.get());

    }

//addAndGet(int i, int delta)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素与输入值相加；
public final int addAndGet(int i, int delta) {
    return getAndAdd(i, delta) + delta;
}
 
//getAndIncrement(int i)：以原子更新的方式将数组中索引为i的元素自增加1；
public final int getAndIncrement(int i) {
    return getAndAdd(i, 1);
}
 
//compareAndSet(int i, int expect, int update)：将数组中索引为i的位置的元素进行更新
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) {
    return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);

public class AtomicIntegerArrayTest {

    static int[] value = new int[]{ 1, 2, 3, 4, 5 };
    static AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(value);


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        //设置索引0的元素为100
        atomicIntegerArray.set(0, 100);
        System.out.println(atomicIntegerArray.get(0));
        //以原子更新的方式将数组中索引为1的元素与输入值相加
        atomicIntegerArray.getAndAdd(1,5);

        System.out.println(atomicIntegerArray);
    }

原子更新引用类型

package com.junziln.study.maintest;

import lombok.AllArgsConstructor;
import lombok.Data;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class AtomicReferenceTest {

    public static void main(String[] args) {
        User user1 = new User("张三", 23);
        User user2 = new User("李四", 25);
        User user3 = new User("王五", 20);

        //初始化为 user1
        AtomicReference<User> atomicReference = new AtomicReference<>();
        atomicReference.set(user1);

        //把 user2 赋给 atomicReference
        atomicReference.compareAndSet(user1, user2);
        System.out.println(atomicReference.get());

        //把 user3 赋给 atomicReference
        atomicReference.compareAndSet(user1, user3);
        System.out.println(atomicReference.get());

    }

}


@Data
@AllArgsConstructor
class User {
    private String name;
    private Integer age;
}

public class AtomicIntegerFieldUpdaterTest {

    public static class Candidate {

        volatile int score = 0;

        AtomicInteger score2 = new AtomicInteger();
    }

    public static final AtomicIntegerFieldUpdater<Candidate> scoreUpdater =
            AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Candidate.class, "score");

    public static AtomicInteger realScore = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        final Candidate candidate = new Candidate();

        Thread[] t = new Thread[10000];
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            t[i] = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    if (Math.random() > 0.4) {
                        candidate.score2.incrementAndGet();
                        scoreUpdater.incrementAndGet(candidate);
                        realScore.incrementAndGet();
                    }
                }
            });
            t[i].start();
        }
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            t[i].join();
        }
        System.out.println("AtomicIntegerFieldUpdater Score=" + candidate.score);
        System.out.println("AtomicInteger Score=" + candidate.score2.get());
        System.out.println("realScore=" + realScore.get());

    }

对于AtomicIntegerFieldUpdater 的使用稍微有一些限制和约束，约束如下：

（1）字段必须是volatile类型的，在线程之间共享变量时保证立即可见.eg:volatile int value = 3

（2）字段的描述类型（修饰符public/protected/default/private）与调用者与操作对象字段的关系一致。也就是说调用者能够直接操作对象字段，那么就可以反射进行原子操作。但是对于父类的字段，子类是不能直接操作的，尽管子类可以访问父类的字段。

（3）只能是实例变量，不能是类变量，也就是说不能加static关键字。

（4）只能是可修改变量，不能使final变量，因为final的语义就是不可修改。实际上final的语义和volatile是有冲突的，这两个关键字不能同时存在。

（5）对于AtomicIntegerFieldUpdater和AtomicLongFieldUpdater只能修改int/long类型的字段，不能修改其包装类型（Integer/Long）。如果要修改包装类型就需要使用AtomicReferenceFieldUpdater。

if (value == expectedValue) { value = newValue;}

CAS可以看做是乐观锁（对比数据库的悲观、乐观锁）的一种实现方式，Java原子类中的递增操作就通过CAS自旋实现的。

CAS是一种无锁算法，在不使用锁（没有线程被阻塞）的情况下实现多线程之间的变量同步。

它们都是 native 方法，由 Java 虚拟机提供具体实现，这意味着不同的 Java 虚拟机对它们的实现可能会略有不同。

以 compareAndSwapInt 为例compareAndSwapInt 内存

public class CASTest {

    public static void main(String[] args) {
        Entity entity = new Entity();

        Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();

        long offset = UnsafeFactory.getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");

        boolean successful;

        // 4个参数分别是：对象实例、字段的内存偏移量、字段期望值、字段新值
        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
        System.out.println(successful + "\t" + entity.x);

        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
        System.out.println(successful + "\t" + entity.x);

        successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
        System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
    }
}

public class UnsafeFactory {

    /**
     * 获取 Unsafe 对象
     * @return
     */
    public static Unsafe getUnsafe() {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            return (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }

    /**
     * 获取字段的内存偏移量
     * @param unsafe
     * @param clazz
     * @param fieldName
     * @return
     */
    public static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
        try {
            return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

entity.x

CAS缺陷

CAS 虽然高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方面：

CAS算法实现一个重要前提需要取出内存中某时刻的，而在下时刻比较并替换，那么在这个时间差类会导致数据的变化。

什么是ABA问题数据

当有多个线程对一个原子类进行操作的时候，某个线程在短时间内将原子类的值A修改为B，又马上将其修改为A，此时其他线程不感知，还是会修改成功。

@Slf4j
public class ABATest {

    public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);

        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            log.debug("Thread1 read value: " + value);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);

            // Thread1通过CAS修改value值为3
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 3)) {
                log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.debug("Thread1 update fail!");
            }
        },"Thread1").start();

        new Thread(()->{
            int value = atomicInteger.get();
            log.debug("Thread2 read value: " + value);
            // Thread2通过CAS修改value值为2
            if (atomicInteger.compareAndSet(value, 2)) {
                log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");

                // do something
                value = atomicInteger.get();
                log.debug("Thread2 read value: " + value);
                // Thread2通过CAS修改value值为1
                if (atomicInteger.compareAndSet(value, 1)) {
                    log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        },"Thread2").start();
    }

数据库有个锁称为乐观锁，是一种基于数据版本实现数据同步的机制，每次修改一次数据，版本就会进行累加。

同样，Java也提供了相应的原子引用类AtomicStampedReference

reference即我们实际存储的变量，stamp是版本，每次修改可以通过+1保证版本唯一性。这样就可以保证每次修改后的版本也会往上递增。

@Slf4j
public class AtomicStampedReferenceTest {

    public static void main(String[] args) {
        // 定义AtomicStampedReference    Pair.reference值为1, Pair.stamp为1
        AtomicStampedReference atomicStampedReference = new AtomicStampedReference(1,1);

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            log.debug("Thread1 read value: " + value + ", stamp: " + stamp);

            // 阻塞1s
            LockSupport.parkNanos(1000000000L);
            // Thread1通过CAS修改value值为3
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 3,stamp,stamp+1)) {
                log.debug("Thread1 update from " + value + " to 3");
            } else {
                log.debug("Thread1 update fail!");
            }
        },"Thread1").start();

        new Thread(()->{
            int[] stampHolder = new int[1];
            int value = (int)atomicStampedReference.get(stampHolder);
            int stamp = stampHolder[0];
            log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
            // Thread2通过CAS修改value值为2
            if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 2,stamp,stamp+1)) {
                log.debug("Thread2 update from " + value + " to 2");

                // do something

                value = (int) atomicStampedReference.get(stampHolder);
                stamp = stampHolder[0];
                log.debug("Thread2 read value: " + value+ ", stamp: " + stamp);
                // Thread2通过CAS修改value值为1
                if (atomicStampedReference.compareAndSet(value, 1,stamp,stamp+1)) {
                    log.debug("Thread2 update from " + value + " to 1");
                }
            }
        },"Thread2").start();
    }