CAS原子操作
原子操作
所謂原子操作是指不會被執行緒排程機制打斷的操作，當某次操作一旦開始，就一直執行到結束，中間不會有任何中斷。
舉個例子：
A想要從自己的帳戶中轉1000塊錢到B的帳戶裡。那個從A開始轉帳，到轉帳結束的這一個過程，稱之為一個事務。在這個事務裡，要做如下操作：
- 從A的帳戶中減去1000塊錢。如果A的帳戶原來有3000塊錢，現在就變成2000塊錢了。
- 在B的帳戶里加1000塊錢。如果B的帳戶如果原來有2000塊錢，現在則變成3000塊錢了。
如果在A的帳戶已經減去了1000塊錢的時候，忽然發生了意外，比如停電什麼的，導致轉帳事務意外終止了，而此時B的帳戶裡還沒有增加1000塊錢。那麼，我們稱這個操作失敗了，要進行回滾。回滾就是回到事務開始之前的狀態，也就是回到A的帳戶還沒減1000塊的狀態，B的帳戶的原來的狀態。此時A的帳戶仍然有3000塊，B的帳戶仍然有2000塊。
我們把這種要麼一起成功（A帳戶成功減少1000，同時B帳戶成功增加1000），要麼一起失敗（A帳戶回到原來狀態，B帳戶也回到原來狀態）的操作叫原子性操作。
如果把一個事務可看作是一個程式,它要麼完整的被執行,要麼完全不執行。這種特性就叫原子性。
CAS
Compare And Set（或Compare And Swap），CAS是解決多執行緒並行情況下使用鎖造成效能損耗的一種機制，採用這種無鎖的原子操作可以實現執行緒安全，避免加鎖的笨重性。
CAS操作包含三個運算元：記憶體位置（V）、預期原值（A）、新值(B)。
如果記憶體位置的值與預期原值相等，那麼處理器會自動將該位置值更新為新值。否則，處理器不做任何操作。
無論哪種情況，它都會在CAS指令之前返回該位置的值。CAS有效地說明了“我認為位置V應該包含值A；如果包含該值，則將B放到這個位置；否則，不要更改該位置，只告訴我這個位置現在的值即可。”
在java中可以通過迴圈CAS的方式來實現原子操作。
CAS是實現自旋鎖的基礎，CAS 利用 CPU 指令保證了操作的原子性，以達到鎖的效果，迴圈這個指令，直到成功為止。
java提供的CAS原子操作類AtomicInteger等，核心就是CAS（CompareAndSwap）。
注意：原子操作和鎖是一樣的一種可以保證執行緒安全的方式，如何讓執行緒安全就看如何使用鎖或者如何使用原子操作CAS使用了正確的原子操作，所以保證了執行緒安全。
原子操作類
當高併發的情況下，對於基本資料型別或者引用資料型別的操作，可能會產生執行緒安全問題，為了避免多執行緒問題的處理方式一般有加鎖，但是加鎖會影響效能，所以這個時候可以考慮使用原子操作類。CAS由於是在硬體方面保證的原子性，不會鎖住當前執行緒，所以執行效率是很高的。
常見的原子操作類：
實戰
1，多執行緒累加一個較大的數值，比較原子操作類和加鎖各自的耗時。
public class AtomicIntegerDemo {
static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
// test();
Synch synch = new Synch();
synch.start();
synch.join();
atomic();
// System.out.println(add());
}
//使用加鎖累加
static class Synch extends Thread {
@Override
public void run() {
//使用原子操作類統計
long startTime = System.currentTimeMillis();
int count = 1;
// synchronized (this) {
// for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
// count++;
// }
// }
for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
synchronized (this) {
count++;
}
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("使用鎖累加花費的時間：" + (endTime - startTime) + "......count = " + count);
}
}
//使用原子操作類統計
private static void atomic() {
long startTime = System.currentTimeMillis();
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(1);
for (int i = 0; i < 1000000000; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
long endTime = System.currentTimeMillis();
System.out.println("原子操作類累加花費的時間：" + (endTime - startTime) + "......count = " + atomicInteger.get());
}
//測試基本用法
private static void test() {
AtomicInteger num = new AtomicInteger(1);
//++i
System.out.println(num.incrementAndGet());
//i++
System.out.println(num.getAndIncrement());
//CAS
System.out.println(num.compareAndSet(3, 4));
System.out.println(num.get());
}
//實現自定義的原子遞增方法
private static int add() {
for (; ; ) {
int i = atomicInteger.get();
boolean b = atomicInteger.compareAndSet(i, i + 1);
if (b) {
return atomicInteger.get();
}
}
}
}
執行結果：
2，使用AtomicInteger類的get方法和compareAndSet方法實現它的遞增方法。
public class HalfAtomicInt {
private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
public void increament() {
for (;;) {
int i = atomicI.get();
boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
if (suc) {
break;
}
}
}
public int getCount() {
return atomicI.get();
}
}
總結
好處：保證了資料的原子性，避免執行緒安全問題，替代加鎖的效能消耗。
壞處：
1，ABA問題（併發1在修改資料時，雖然還是A，但已經不是初始條件的A了，中間發生了A變B，B又變A的變化，此A已經非彼A，資料卻成功修改，可能導致錯誤，這就是CAS引發的所謂的ABA問題。 可以使用樂觀鎖的方式解決。）
2，迴圈時間長開銷大（自旋）
3，只能保證一個共享變數的原子操作（可以使用AtomicRefrence原子操作類將多個變數合併成一個物件來解決）
解決ABA問題：
AtomicMarkableReference：內部是一個boolean型別的版本號，可以記錄是否被更改過。
AtomicStampedReference：內部是一個int型別的版本號，可以記錄被更改的次數。
例如：使用AtomicStampedReference，避免ABA問題，檢視內部是int型別的版本號。
public class AtomicStampedReferenceDemo {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
//設定初始化版本號是0
AtomicStampedReference<String> atomicStampedReference = new AtomicStampedReference("a1", 0);
//初始的值和版本號
String reference = atomicStampedReference.getReference();
int stamp = atomicStampedReference.getStamp();
Thread thread1 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
System.out.println("目前的值：" + reference + "............版本號：" + stamp
+ "，修改結果：" + atomicStampedReference.compareAndSet(reference, "a2", stamp, stamp + 1));
}
});
Thread thread2 = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
String reference = atomicStampedReference.getReference();
System.out.println("目前的值：" + reference + "............版本號：" + atomicStampedReference.getStamp()
+ "，修改結果：" + atomicStampedReference.compareAndSet(reference, "a2", stamp, stamp + 1));
}
});
thread1.start();
thread1.join();
thread2.start();
thread2.join();
}
}
執行結果：
