并发编程005 --- 原子类的使用和原理

原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作，也就是说在原子操作期间，不会出现线程上下文切换；

JDK在java.util.concurrent.atomic包中提供了多个原子类，如下：

 

其中从DoubleAccumulator开始，是JDK1.8提供的采用分段思想的高性能原子类；

在多线程场景中，不可避免的会有数据的加减运算，很显然这些操作不是线程安全的；我们可以通过synchronized、Lock等方式保证线程安全，但是这些加锁操作大多数情况下会降低执行效率；另外的一种方法就是采用CAS + 自旋锁来解决线程安全问题；

CAS ---  Compare And Swap，先去内存中获取当前变量值，如果是预期的值，更新为新的值；

自旋锁 ---- 当线程尝试获取锁失败时，该线程可以阻塞，等待所释放后OS的调度，还可以执行一个空循环，不断的占用当前CPU，尝试获取锁，后面一种即是自旋锁；但是其存在一些弊端，如果自旋锁执行时间过长，会导致CPU资源长时间被占用，而且该资源消耗会大于线程上下文切换，因此，需要根据场景区分使用咨自旋锁；

上述原子类底层即采用了CAS + 自旋锁来解决线程安全问题

下面以AtomicInteger的常用方法为例说明下原子类的基本用法：

public static void main(String[] args) {
    final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
    System.out.println(atomicInteger.incrementAndGet());
}

毫无疑问，运行结果会是2，进入incrementAndGet方法源码，了解下原子类底层原理

    public final int incrementAndGet() {
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
    }

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

这里面有个很重要的变量：valueOffset，指的是变量在内存中的偏移量；

getAndAddInt方法的流程为，先从主内存中读取变量值，然后调用CAS方法，直到内存中的变量值为预期值；

CAS算法的思想就是，先从内存中取出某个时刻的值A，在下一个时刻将该值与内存中的值相比较，如果没有变化，则进行更新；那么在时间差内，其它的线程可能将内存中的值先由A修改为B，然后再修改为A；原来的线程在比较时，发现取值没有发生变化，进行了更新；这就是CAS的“ABA”问题；

正常的运算场景下，ABA不会引入业务问题，但是某些场景下，ABA会导致问题，比如：

单向链表A->B构成的栈，A是栈顶，现在要栈顶更新为B，前提是栈顶为A

1、线程1，先获取栈顶的值，为A；

2、这时线程2将A、B出栈，然后在栈中分别入栈D、C、A，此时栈结构如下: A->C->D

3、线程1，执行比较，发现栈顶为A，因此更新栈顶为B，但是此时B的next为空，偏离了预期

为了解决ABA问题，java引入了带“版本号”的原子类AtomicMarkableReference和AtomicStampedReference，如果出现ABA的场景，那么变量的版本号加1，并且在比较时认为不是同一个值