Atomic原子操作及CAS原理

我们都知道Volatile保证了可见性、有序性和单次操作的原子性,那么像i++这种的非单次操作应该怎么保证原子性呢?
在java.util.concurrent.atomic包里面,有许多提供原子操作的类:
在这里插入图片描述
在这里面我们最常用的是AtomicInteger、AtomicBoolean,重点要会的应该是AtomicInteger,因为AtomicBoolean内部也是通过AtomicInteger实现的。

AtomicInteger

AtomicInteger是对int类型的一个封装,提供原子性的访问和更新操作。常见的api有
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#incrementAndGet 原子自增1
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#decrementAndGet原子自减1
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#addAndGet原子在当前值加上给定的值。
java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger#get返回当前最新的值

**应用场景:**并发统计、订单号
实现原理: CAS

CAS原理

CAS有3个操作数,内存值V,旧的预期值A,要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值V修改为B,否则什么都不做。
CAS算法:
CAS的全称是Compare And Swap 即比较交换,其算法核心思想如下
函数:CAS(V,E,N) 参数:V表示要更新的变量 E预期值 N新值

如果V值等于E值,则将V的值设为N。若V值和E值不同,则说明已经有其他线程做了更新,则当前线程什么都不做。通俗的理解就是CAS操作需要我们提供一个期望值,当期望值与当前线程的变量值相同时,说明没有线程修改该值,当前线程可以进行修改,也就是执行CAS操作,但如果期望值与当前线程不符,则说明该值已被其他线程修改,此时不执行更新操作,但可以选择重新读取该变量再尝试再次修改该变量,也可以放弃操作。

CAS操作是原子性的,所以多线程并发使用CAS更新数据时,可以不使用锁,JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁来保持原子更新。

Java的CAS操作通过Unsafe类来完成,里面基本都是native,即通过JNI调用c/c++等代码。

底层核心:汇编指令-cmpxchg
作用:比较并交换操作数.
如:CMPXCHG r/m,r 将累加器AL/AX/EAX/RAX中的值与首操作数(目的操作数)比较,如果相等,第2操作数(源操作数)的值装载到首操作数,置为1。如果不等, 首操作数的值装载到AL/AX/EAX/RAX并将置为清0
该指令只能用于486及其后继机型。第2操作数(源操作数)只能用8位、16位或32位寄存器。第1操作数(目的操作数)则可用寄存器或任一种存储器寻址方式。

CAS的ABA问题

在进行CAS操作的时候,因为在更改V之前,CAS主要询问“V的值是否仍然为A”,所以在第一次读取V之后以及对V执行CAS操作之前,如果将值从A改为B,然后再改回A,会使基于CAS的算法混乱。在这种情况下,CAS操作会成功。这类问题称为ABA问题。

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