多線程（七）：AtomicInteger

包括：

一. AtomicInteger 概念，API

二. CAS 算法簡介

一. AtomicInteger 概念，API

我們知道，i++ 操作並不是原子性的，多線程下使用可能會出現問題。那麼AtomicInteger 就可以解決這個問題，利用 AtomicInteger，一個變量的自增可以是原子性的。當然，我們也可以通過 lock 或者 synchronized 等方法正常使用 i ++。

常用API：

public class AtomicIntegerTest {
	public static void main(String[] args) {
		AtomicInteger a = new AtomicInteger();
		a.incrementAndGet(); //++i
		a.getAndIncrement(); //i++
		a.decrementAndGet(); //--i
		a.getAndDecrement(); //i--
	}
}

二. CAS 算法簡介

AtomicInteger 實現原理：主要通過 CAS 算法。也就是說，對某個內存值拷貝一個副本，某個線程若讀到該副本，並對其進行計算，輸出結果，在寫入內存時，再次取出內存值和該副本比較，若副本和內存值相同，則把新的值寫入內存。

CAS 算法儘可能的縮小了鎖的範圍，所有速度效率上會比 Lock，Synchronized 高很多。現代的CPU提供了特殊的指令，可以自動更新共享數據，而且能夠檢測到其他線程的干擾，而 compareAndSet() 就用這些代替了鎖定。

CAS有3個操作數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改爲B，否則什麼都不做。例如一個 ++i 算法：

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

在這裏採用了CAS操作，每次從內存中讀取數據然後將此數據和+1後的結果進行CAS操作，如果成功就返回結果，否則重試直到成功爲止。而compareAndSet利用JNI來完成CPU指令的操作。

缺點：

ABA問題。
循環時間長開銷大。自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。
只能保證一個共享變量的原子操作。當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖，或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合併成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量i＝2,j=a，合併一下ij=2a，然後用CAS來操作ij。從Java1.5開始JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，你可以把多個變量放在一個對象裏來進行CAS操作。

PS：

ABA 問題： AtomicInteger 可能出現ABA問題，也就是若其中一個線程修改A->B->A，另外一個線程仍然讀取到A，雖然值是預期值，但並不能說明該內存值沒有變化。ABA問題的解決方案：通過標記或者版本號和每一個CAS操作的值相綁定，並且原子性的更新值和標記來處理這類問題。從Java1.5開始JDK的atomic包裏提供了一個類AtomicStampedReference來解決 ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且當前標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標誌的值設置爲給定的更新值。
樂觀鎖和悲觀鎖：獨佔鎖是一種悲觀鎖，synchronized就是一種獨佔鎖，會導致其它所有需要鎖的線程掛起，等待持有鎖的線程釋放鎖。而另一個更加有效的鎖就是樂觀鎖。所謂樂觀鎖就是，每次不加鎖而是假設沒有衝突而去完成某項操作，如果因爲衝突失敗就重試，直到成功爲止。java.util.concurrent包中藉助CAS實現了區別於synchronized悲觀鎖的一種樂觀鎖。

參考：