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一、背景
我們都知道在多線程環境下，num++，這個操作是不安全的，因爲它不是原子操作
在底層，這個加1的操作會被分成幾個步驟：
1、從內存中讀取 num
2、然後執行 num + 1
3、然後把新值寫入內存
直接看代碼
public class TestInt {
private volatile int num = 0;
public int getNum() {
return this.num;
}
public void increase() {
this.num++;
}
public static void main(String[] args) {
final TestInt testInt = new TestInt();
for (int i = 0; i < 100; i++) {
new Thread(new Runnable() {
public void run() {
try {
Thread.sleep(100);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
testInt.increase();
}
}).start();
}
// 讓所有子線程執行完畢
while (Thread.activeCount() > 1) {
Thread.yield();
}
System.out.println("num:" + testInt.getNum());
}
}按照我們想的，num結果應該爲100，實際測試時，結果卻每次都不一樣（小於或者等於100）
比如說有下面這種情況：
線程A獲取到num的值 = 0，由於它不是原子性，cpu資源被線程B搶走（或者A的時間片執行時間已到）
線程B獲取num的值 = 0
線程B對num + 1 = 1
線程B把num值更新到主內存中後結束
線程A重新獲得cpu資源， 對它內存中num的副本 + 1 = 1
線程A將num = 1更新到主內存中
本來應該num應該爲2的，結果卻爲1
二、解決方法
爲了保證線程的安全，我們第一步就想到使用synchronized關鍵字加鎖，這樣肯定可以解決問題
但是鎖機制也不是在任何情況下都是最優選擇
synchronized是基於阻塞的鎖機制，也就是說當一個線程擁有鎖的時候，訪問同一資源的其它線程需要等待，直到該線程釋放鎖
這樣可能會造成以下問題：
1、被阻塞的線程優先級很高
2、獲得鎖的線程一直不釋放鎖
3、大量的線程來競爭鎖，導致CPU資源的浪費
4、如果只是一個計數器，使用鎖機制比較笨重
三、原子操作CAS
原子操作定義：假定有兩個任務A和B，如果從執行A的線程來看，當另一個線程執行B時，要麼將B全部執行完，要麼完全不執行B，那麼A和B對彼此來說是原子的
那麼CAS是如何做到原子操作的呢？
它是利用了現代處理器都支持的CAS指令，循環這個指令，直到成功爲止
也就是說，它不是通過語言級別的操作來保證原子操作，而是在更底層，CPU指令級別的操作保證了原子操作
CAS操作過程都包含三個運算符：一個內存地址V，一個期望的值A和一個新值B
如果這個地址V上存放的值（也就是內存中的值）等於這個期望的值A，則將地址上的值賦爲新值B
上述動作是在一個循環中進行（for(;;){}，也稱爲自旋操作，其實就是一個死循環），直到修改成功
我們可以先看一下CAS實現類AtomicInteger中如何實現類似++i的源碼
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}舉個例子
A，B兩個線程同時修改變量num的值0，進行加1操作
1、獲取值。首先他們都會去內存中獲取num=0，拷貝到自己工作空間，此時他們的期望值都是0
2、計算新值
3、比較和交換。內存中的值與期望值相等，則交換。這裏通過CAS指令，保證了比較和交換是一個原子操作
並且要注意：該值是volatile修飾，保證了值修改時，其他線程可以立馬知道
A和B都執行完第2步，第3步只有一個線程可以成功執行
這裏爲了好理解，假設A快一點，先執行第3步，先比較期望值0和內存中值是否相等，發現相等，把新值1刷回內存中，然後返回結束循環
B慢一點，比較期望值0和內存中值（此時已變爲1，因爲是volatile修飾）是否相等，不相等，則執行下一次循環
再獲取內存中的值1拷貝到自己工作空間，也就是期望值爲1
再計算新值爲2
再比較和交換，這時相等，就把新值刷回內存，然後返回結束循環
四、CAS的缺點
4.1 ABA問題
從上面介紹，CAS操作經過幾個步驟，獲取值，比較，修改
如果在獲取值和比較之間，該值從原有的A，變爲B，再變爲A，CAS是不知道該值發生了變化
所以使用了版本號來解決該問題，每次變量更新都會把版本號加1，此時A→B→A就會變成1A→2B→3A
4.2 循環開銷大
自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷
4.3 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，這個時候就需要用鎖機制
但是，我們可以把多個共享變量合併成一個變量，來進行CAS操作
五、原子操作類
java在java.util.concurrent.atomic包下，爲我們提供了一系列以Atomic開頭的包裝類，方便我們使用
jdk1.5的atomic包下提供的原子操作類
標量類：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
數組類：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
更新器類：AtomicLongFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicReferenceFieldUpdater
複合變量類：AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference
jdk1.8之後又添加了下面的四個類
LongAdder DoubleAdder 高併發情況下替代AtomicLong
LongAccumulator DoubleAccumulator
六、demo
以AtomicInteger爲例，提供了getAndIncrement()（類似i++操作）、incrementAndGet()（類似++i操作）、get()等方法
public class TestAtomicInt {
static AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);
public static void main(String[] args) {
System.out.println(num.getAndIncrement());
System.out.println(num.incrementAndGet());
System.out.println(num.get());
}
}
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