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1 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(A和B可能都很复杂)，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的CAS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。

2 CAS实现原子操作的三大问题

2.1 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。

2.2 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。

2.3 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。

3 JDK中相关原子操作类的使用

3.1 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。

示例代码：

/**
 * @Description: 基本类型的原子操作
 * @CreateDate: 2022/3/15 5:13 下午
 */
public class UseAtomicInteger {

    private static final AtomicInteger AI = new AtomicInteger(10);

    public static void main(String[] args) {
        System.out.println(AI.getAndIncrement());
        System.out.println(AI.incrementAndGet());

        System.out.println(AI.addAndGet(24));
        System.out.println(AI.getAndAdd(24));
    }
}

执行结果：

10
12
36
36

3.2 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。

3.3 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。

3.3.1 AtomicReference

原子更新引用类型。

示例代码：

/**
 * @Description: 引用类型的原子操作
 * @CreateDate: 2022/3/15 5:23 下午
 */
public class UseAtomicReference {

    public static void main(String[] args) {
        UserInfo userInfo = new UserInfo("樱桃", 25);
        AtomicReference<UserInfo> userInfoAtomicReference = new AtomicReference<>(userInfo);
        UserInfo updateUserInfo = new UserInfo("Lili", 28);
        userInfoAtomicReference.compareAndSet(userInfo, updateUserInfo);

        System.out.println(userInfo);
        System.out.println(userInfoAtomicReference.get());
    }

    static class UserInfo {
        private volatile String name;
        private int age;

        public UserInfo(String name, int age) {
            this.name = name;
            this.age = age;
        }

        public String getName() {
            return name;
        }

        public int getAge() {
            return age;
        }

        @Override
        public String toString() {
            return "UserInfo{" +
                    "name='" + name + ''' +
                    ", age=" + age +
                    '}';
        }
    }

}

执行结果：

UserInfo{name='樱桃', age=25}
UserInfo{name='Lili', age=28}

3.3.2 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。

示例代码：

/**
 * @Description: 使用带版本的原子操作类
 * @CreateDate: 2022/3/15 5:37 下午
 */
public class UseAtomicStampedReference {

    private static final AtomicStampedReference<String> ASR = new AtomicStampedReference<>("樱桃", 25);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //拿到当前的版本号(旧)
        final int oldStamp = ASR.getStamp();
        final String oldReference = ASR.getReference();
        System.out.println(oldReference + ":" + oldStamp);

        Thread rightStampThread = new Thread(() ->
                System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "::当前变量值:" + oldReference + " 当前版本戳:" + oldStamp + "-" +
                        ASR.compareAndSet(oldReference, oldReference + "Java", oldStamp, oldStamp + 1)));

        Thread errorStampThread = new Thread(() -> {
            String reference = ASR.getReference();
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + "::当前变量值:" + reference + "-当前版本戳:" + ASR.getStamp() + "-"
                    + ASR.compareAndSet(reference, reference + "+C", oldStamp, oldStamp + 1));
        });

        rightStampThread.start();
        rightStampThread.join();
        errorStampThread.start();
        errorStampThread.join();

        System.out.println(ASR.getReference()+"::"+ASR.getStamp());
    }
}

3.3.3AtomicMarkableReference

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）。

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