JUC ---- 原子操作 CAS

1. CAS产生的背景

JDK其实在语言层级上就用Synchronized实现了线程安全,那为什么还要在1.5的版本后引入原子操作呢？
sync是基于阻塞的锁机制，它可能会带来以下问题：

1. 被阻塞的线程优先级高。
2. 拿到锁的线程一直不释放锁
3. 大量的竞争，消耗CPU, 同时带来死锁或者其他安全问题。

2. CAS

2.1 简介

CAS (Compare And Swap), 是通过自旋实现的，它的底层是一个native方法（有C++ 语言编写，来控制JVM）。其最终的实现上是通过一条CPU指令实现的（大概意思上，就是若存在多核处理任务，则锁住总线）。这也从计算机的原语级别上保证了这个操作的原子性。

CAS操作中的三个运算符：
一个内存地址V, 一个期望值 A, 一个新值B
基本思路：如果地址V上的值和期望的值A相等，就给地址V赋上新值B。如果不是，就在循环(死循环，自旋)里不断进行CAS操作。

2.2 CAS遇到的问题

• ABA问题： A—> B —> A
  原来的值是A, 但它进过更改后，先从A 变成B, 再从B变成了A。 那么CAS进行检查时发现它的值没有变化，但是实际上却变化了。（某些应用场景下是不允许这种变化的发生的）
  ABA问题的解决思路使用版本号，在变量前面追加版本号，每次变量更新的时候版本号加1，那么A-B-A 就会变为 1A-2B-3A。Java中提供了原子类AtomicStampedReference来解决这个问题（它表示动过几次），而AtomicMarkableReference则是使用boolean表示有没有动过。
• 开销问题：CAS操作长期不成功，那么CPU会在这上面不断地自旋消耗大量资源。
• 只能保证一个共享变量的原子操作

2.3 JDK中相关的原子操作类

• 更新基本类型：AtomicBoolean, AtomicInteger, AtomicLong
• 更新数组类型：AtomicIntegerArray, AtomicLongArray, AtomicReferenceArray
• 更新引用类型：AtomicReference, AtomicMarkableReference, AtomicStampedReference(解决ABA问题)
• 原子更新字段类：AtomicReferenceFieldUpdater, AtomicIntegerFieldUpdater, AtomicLongFieldUpdater （使用相对较少）

由于使用方式比较类似，这里以AtomicStampedReference为例子进行演示

3. 原子类的使用

这里以两个线程为例子，线程1使用正确的版本戳修改完引用后，线程2再使用老的版本号进行修改，这时会发现修改失败（因为版本号不对应）

package atomic;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference;

public class UseAtomicStampedReference {
    //新建一个带版本号和引用类型的原子变量
    static AtomicStampedReference<String> asr = new AtomicStampedReference<>("gs",0);

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        final int oldStamp = asr.getStamp(); //初始化的版本号
        final String oldReference = asr.getReference();

        System.out.println(oldReference+"=========="+oldStamp);

        //使用正确版本号的更改的线程
        Thread rightStamp = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                +"当前变量值:"+ oldReference + ",当前版本号为:"+oldStamp
                +"-"+asr.compareAndSet(oldReference,oldReference+" Love you",
                        oldStamp,oldStamp+1));
            }
        });
		//使用老版本号修改的线程
        Thread errorStamp = new Thread(new Runnable() {
        	//此时不能再使用oldStamp，因为版本号发生了变化
            @Override
            public void run() {
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        +"当前变量值:"+ asr.getReference() + ",当前版本号为:"+asr.getStamp()
                        +"-"+asr.compareAndSet(asr.getReference(),asr.getReference()+" Love you",
                        oldStamp,oldStamp+1));
            }
        });

       rightStamp.start();
       //这里表示rightStamp的线程先运行完再运行errorStamp的线程
       rightStamp.join();
       errorStamp.start();
       errorStamp.join();

       System.out.println(asr.getReference()+"-----"+asr.getStamp());


    }
}

控制台的输出