原子操作
原子性就是指該操作是不可再分的。不論是多核還是單核，具有原子性的量，同一時刻只能有一個線程來對它進行操作。
原子操作可以是一個步驟，也可以是多個步驟，但是其順序不可以被打亂，也不可以被切割而只執行其中的一部分（不可中斷性）。
將操作視作一個整體，資源在該次操作中保持一致，這是原子性的核心特征。
首先我們來看一個非原子操作的示例：
public class Counter {
volatile int i = 0;
public void increament() {
i++;
}
}
測試代碼：
public class CouterTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final Counter counter = new Counter();
for (int i = 0; i < 6; i++) {
new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
counter.increament();
}
System.out.println("done...");
}
})
.start();
}
Thread.sleep(6000L);
System.out.println(counter.i);
}
}
正確情況下以上測試代碼我們啟動了6個線程每個增加10000，結果輸出應該是60000，但實際結果卻是小於60000的，其原因就在於i++並不是原子的操作，通過反編譯我們可以知道它實際上在JVM運行時是4個指令。
那么如何才能讓以上代碼正確運行那？
- 通過加鎖的形式，可以是
synchronized加鎖，也可以是ReentrantLock加鎖. 這種方式是通過加鎖的方式使其變成串行的單線程操作，效果不是太高。
syncchronized 加鎖代碼示例：
public class Counter {
volatile int i = 0;
public synchronized void increament() {
i++;
}
}
ReentrantLock加鎖代碼示例:
public class Counter {
volatile int i = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public void increament() {
lock.lock();
i++;
lock.unlock();
}
}
- 通過JDK提供的原子操作的API中的
AtomicInteger，這種方式其底層是通過CAS操作，仍是使用多線程進行，所以效率會相對較高。
AtomicInteger代碼示例:
public class Counter {
AtomicInteger i= new AtomicInteger();
public void increament() {
i.incrementAndGet();
}
}
CAS（Compare and swap）
Compare and swap 比較和交換，屬於硬件同步原語，處理器提供了基本內存操作的原子性保證。
CAS 操作包含三個操作數—內存位置(V),預期原值(A)和新值(B)。 如果內存位置的值與預期原值相匹配，那么處理器會自動將該位置值交換成新值，如果不匹配，即內存位置的值了變化則不做交換。
Java中的sun.misc.Unsafe類提供了compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等幾個方法實現CAS, 其代碼示例如下：
// JDK提供的原子操作API其原理基本如此
public class CounterUnsafe {
volatile int i = 0;
private static Unsafe unsafe = null;
// i字段地址偏移量
private static long valueOffset;
static {
// unsafe = Unsafe.getUnsafe(); 該方式並不可用
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) field.get(null);
Field fieldi = CounterUnsafe.class.getDeclaredField("i");
// 獲取字段i的地址偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(fieldi);
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void increament() {
for (; ; ) {
int current = unsafe.getIntVolatile(this, valueOffset);
// 如果成功則返回true，跳出循環，如果失敗返回false, 將進行自旋（就是for循環）
if (unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, current, current + 1)) break;
}
}
}
JDK提供的原子操作類簡介：
CAS的三大問題
- 循環+CAS，自旋的實現讓所有線程都處於高頻運行，爭搶CPU執行時間的狀態。如果操作長時間不成功，會帶來很大的CPU資源消耗
- 僅針對單個變量的操作，不能用於多個變量來實現原子操作
- ABA問題
ABA問題
