JAVA并发编程(4)：原子性操作以及CAS操作

一.原子性操作

所谓原子性操作，是指执行一系列操作时，这些操作要么全部执行，要么全部不执行，不存在执行其中一部分的情况。

如果不能保证操作是原子的，那么在多线程情况下，就有可能会存在线程安全问题。

接下来用代码来验证非原子操作在多线程环境下的线程安全问题：

public class ThreadSafeTest {
    private static final Logger LOGGER = LoggerFactory.getLogger(ThreadSafeTest.class);

    private static int value = 0;

    private static void increaseValue() {
        for (int i = 0; i <100000;i++) {
            value++;
        }
    }
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                increaseValue();
            }
        });

        Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
            @Override
            public void run() {
                increaseValue();
            }
        });

        thread1.start();
        thread2.start();
        thread1.join();
        thread1.join();
        LOGGER.info("value:{}",value);
    }
}

第一次运行输出：

20:25:16.027 [main] INFO com.example.demo.ThreadSafeTest - value:125427

第二次运行输出：

20:28:17.946 [main] INFO com.example.demo.ThreadSafeTest - value:129915

可以看到两次运行结果都不等于两个线程加起来的循环次数200000，这就是非原子性操作在多线程环境下的线程安全问题。

 

二.CAS操作

那么如何保证多个操作的原子性呢？最简单的办法是加锁，这里不讨论，除了加锁以外，还有一个更加轻量级的操作：CAS，CAS能够在不阻塞线程的情况下保证读-修改-写操作的原子性。

CAS即Compare And Swap,比较并交换，其是JDK提供的非阻塞原子性操作，底层通过硬件来保证比较-更新的原子性，主要包含三个步骤：

设在内存中有变量V，旧的预期值A，需要修改的新值B：

1.比较A与V是否相等；

2.如果相等，将B写入V；

3.返回操作是否成功；

这里认为A与V相等，则V没有被其他线程修改，否则认为V被其他线程修改过，将放弃这次修改，这个前提的存在也导致了ABA问题，暂不讨论。

JDK的Unsafe类提供了一系列的CAS操作，这里简单介绍

public final native boolean compareAndSwapLong(Object obj, long valueOffset, long expect, long update);

这个方法是native方法，由处理器保证该方法的原子性。

四个参数非别为：对象内存位置，对象中的变量偏移量，变量预期值以及变量新的值。

如果对象obj中内存偏移量为valueOffset的变量值为expect，则使用新的值update替换旧的值expect。

public final long getAndSetLong(Object var1, long var2, long var4) {
        long var6;
        do {
            var6 = this.getLongVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapLong(var1, var2, var6, var4));

        return var6;
    }

该方法首先获取当前变量值，再使用CAS操作设置新的值，使用while循环是考虑到多线程同时修改时，CAS操作可能会失败，失败时将会重试。

 

JAVA并发包中的AtomicLong等原子操作类都是基于Unsafe提供的CAS操作实现的原子性操作，代码都很简单，不再记录。