Java 多线程 - 原子操作CAS

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• 什么是原子操作?如何实现原子操作?
• CAS 实现原子操作的三大问题
• ABA 问题
• 循环时间长开销大

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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，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 CAS()的指令，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。

CAS 是怎么实现线程的安全呢?语言层面不做处理，我们将其交给硬件— CPU 和内存，利用 CPU 的多处理能力，实现硬件层面的阻塞，再加上 volatile 变 量的特性即可实现基于原子操作的线程安全。

 

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CAS 实现原子操作的三大问题

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。

解决方案：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。举个通俗点的 例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新 倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关 心水还在，这就是 ABA 问题。

如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的 时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初 始值 0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

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。

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。

解决方案：从 Java 1.5 开始，JDK 􏰀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。