一、什么是原子操作?如何实现原子操作?
假定有两个操作A和B,如果从执行A的线程来看,当另一个线程执行B时,要么将B全部执行完,要么完全不执行B,那么A和B对彼此来说是原子的。
实现原子操作可以使用锁,锁机制,满足基本的需求是没有问题的了,但是有的时候我们的需求并非这么简单,我们需要更有效,更加灵活的机制,synchronized关键字是基于阻塞的锁机制,也就是说当一个线程拥有锁的时候,访问同一资源的其它线程需要等待,直到该线程释放锁,
这里会有些问题:首先,如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办?其次,如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办?(这种情况是非常糟糕的)。还有一种情况,如果有大量的线程来竞争资源,那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争,同时,还有可能出现一些例如死锁之类的情况,最后,其实锁机制是一种比较粗糙,粒度比较大的机制,相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。
实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS()的指令,只不过每个厂家所实现的算法并不一样,每一个CAS操作过程都包含三个运算符:一个内存地址V,一个期望的值A和一个新值B,操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值A,则将地址上的值赋为新值B,否则不做任何操作。
CAS的基本思路就是,如果这个地址上的值和期望的值相等,则给其赋予新值,否则不做任何事儿,但是要返回原值是多少。循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作,直到成功为止。
CAS是怎么实现线程的安全呢?语言层面不做处理,我们将其交给硬件—CPU和内存,利用CPU的多处理能力,实现硬件层面的阻塞,再加上volatile变量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。
二、CAS实现原子操作的三大问题
1、ABA问题
因为CAS需要在操作值的时候,检查值有没有发生变化,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1,那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。举个通俗点的例子,你倒了一杯水放桌子上,干了点别的事,然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水,你回来看水还在,拿起来就喝,如果你不管水中间被人喝过,只关心水还在,这就是ABA问题。
如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子,不但关心水在不在,还要在你离开的时候水被人动过没有,因为你是程序员,所以就想起了放了张纸在旁边,写上初始值0,别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。
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。
还有一个取巧的办法,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Java 1.5开始,JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性,就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
三、Jdk中相关原子操作类的使用
参见代码,包cn.enjoyedu.ch3下
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、更新引用类型
原子更新基本类型的AtomicInteger,只能更新一个变量,如果要原子更新多个变量,就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下3个类。
1)AtomicReference
原子更新引用类型。
2)AtomicStampedReference
利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号,这样的话就不会存在ABA问题了。这就是AtomicStampedReference的解决方案。AtomicMarkableReference跟AtomicStampedReference差不多, AtomicStampedReference是使用pair的int stamp作为计数器使用,AtomicMarkableReference的pair使用的是boolean mark。 还是那个水的例子,AtomicStampedReference可能关心的是动过几次,AtomicMarkableReference关心的是有没有被人动过,方法都比较简单。
3)AtomicMarkableReference
原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference(V initialRef,booleaninitialMark)。
4、原子更新字段类
如果需原子地更新某个类里的某个字段时,就需要使用原子更新字段类,Atomic包提供了以下3个类进行原子字段更新。
要想原子地更新字段类需要两步。第一步,因为原子更新字段类都是抽象类,每次使用的时候必须使用静态方法newUpdater()创建一个更新器,并且需要设置想要更新的类和属性。第二步,更新类的字段(属性)必须使用public volatile修饰符。
1)AtomicIntegerFieldUpdater
原子更新整型的字段的更新器。
2)AtomicLongFieldUpdater
原子更新长整型字段的更新器。
3)AtomicReferenceFieldUpdater
原子更新引用类型里的字段。