3.原子变量 CAS算法

3.原子变量 CAS算法

3.原子变量 CAS算法

前言

在上一篇中我们讲述了关于多线程并发，导致共享属性在内存不可见的问题。以及使用 ​​volatile​​ 关键字设置共享属性，使其在多线程并发中内存可见。

但是我们只讲述了多线程中单一步骤的操作，我们一般在多线程并发的情况下，还会有对一个共享值存在多个步骤的执行情况。

例如：多线程并发执行​​i++​​， 那么就可能存在两个线程或者以上同时给一个 i 值相加，导致相加错误的情况。

那么该类问题该怎么解决呢？

在这里我们可以引入 CAS算法 以及 原子变量 来解决。

知识点说明

CAS 算法

- CAS (Compare-And-Swap) 是一种硬件对并发的支持，针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问。- CAS 是一种无锁的非阻塞算法的实现。 - CAS 包含了 3 个操作数： - 需要读写的内存值 V - 进行比较的值 A - 拟写入的新值 B - 当且仅当 V 的值等于 A 时，CAS 通过原子方式用新值 B 来更新 V 的值，否则不会执行任何操作。

原子变量

- 类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。事实上，此包中的类可将 volatile 值、字段和数组元素的概念扩展到那些也提供原子条件更新操作的类。- 类 AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong 和 AtomicReference 的实例各自提供对相应类型单个变量的访问和更新。每个类也为该类型提供适当的实用工具方法。- AtomicIntegerArray、AtomicLongArray 和 AtomicReferenceArray 类进一步扩展了原子操作，对这些类型的数组提供了支持。这些类在为其数组元素提供 volatile 访问语义方面也引人注目，这对于普通数组来说是不受支持的。 - 核心方法：boolean compareAndSet(expectedValue, updateValue) - java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子操作的常用类: - AtomicBoolean 、AtomicInteger 、AtomicLong 、 AtomicReference - AtomicIntegerArray 、AtomicLongArray - AtomicMarkableReference - AtomicReferenceArray - AtomicStampedReference

原子性问题的演示

1.首先编写一个实现自增序列号的线程类

/** * 创建一个线程类 */class AtomicDemo implements Runnable{ //成员属性：线程共享属性，使用 volatile 设置内存可见性 private volatile int serialNumber = 0; //线程run方法 @Override public void run() { //休眠500毫秒, 提高并发时候的重复操作概率 try { Thread.sleep(500); } catch (InterruptedException e) { e.printStackTrace(); } //打印本线程以及当前的serialNumber值 //注意：在getSerialNumber将会自增 +1 System.out.println("当前的线程: " + Thread.currentThread().getName() + ", serialNumber: " + this.getSerialNumber()); } // getter: 在获取序列号的同时，对序列号进行 自增 ++ public int getSerialNumber() { return serialNumber++; // 自增 +1 } }

2.创建以及启动 10个线程，查看并发打印出来的序列号 serialNumber 有没有出现 相同值 的情况

public class TestAtomicDemo { public static void main(String[] args) { //创建线程类对象 AtomicDemo atomicDemo = new AtomicDemo(); //创建10个线程 for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(atomicDemo).start(); // 创建以及启动线程 } }}

测试执行如下：

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3.多线程并发获取到相同自增序列号的问题原因

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从上图的说明中，我们大概已经知道了，由于我在线程中设置了休眠，那么就提供了多个线程同时读取 serialNumber 相同值的情况。

例如：

线程 thread-1 读取 serialNumber = 0 , 同时 thread-n 也读取 serialNumber = 0，那么这两个线程执行自增后的值就是相同的。

当时，这并不是我们希望的效果，我们更加希望每个线程就算是并发，也应该对 serialNumber 进行逐步自增​​(0，1，2，3，4....)​​​，而不是存在获取相同值的情况​​(0, 0, 1, 1 ....)​​。

那么如果要解决这个问题，我们就需要给 serialNumber 自增的这个步骤设置原子性：在多线程并发的情况下，同一时刻只允许一个线程变更 serialNumber 的值。

使用CAS算法 解决 原子性问题

/* * 二、原子变量：在 java.util.concurrent.atomic 包下提供了一些原子变量。 * 1. volatile 保证内存可见性 * 2. CAS（Compare-And-Swap） 算法保证数据变量的原子性 * CAS 算法是硬件对于并发操作的支持 * CAS 包含了三个操作数： * ①内存值 V * ②预估值 A * ③更新值 B * 当且仅当 V == A 时， V = B; 否则，不会执行任何操作。 */

在这里要理解号 CAS 算法如何保证原子性的话，我们来画图理解一下。

1. 画图理解

1.1 首先假设两个线程同时从内存中读取 ​​serialNumber = 0​​​ 的值，此时设置 ​​V = 0​​

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1.2 在线程1 中，从内存获取 serialNumber 之后，立即将其设置回线程对象的属性中，也就是预估值 A（后续拿来与 V 比较）。并且同时对 A 进行自增，将更新值设置为 B。当 V == A ，也就是说没有其他线程更新内存 serialNumber 的值，此时允许 内存 serialNumber 的值改为 B

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1.3 由于线程 1 更新了内存 serialNumber 的值为 1，那么后续 线程 n 获取的预估值 A 则为 1，此时由于 V 不等于 A，所以判断有其他线程更新了内存数据，本次不更新

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2.代码实现原子性变量

2.1 将序列号设置为原子性变量

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//使用AtomicInteger设置原子性变量private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger(0);

2.2 设置为原子性变量之后，就要调用相应的原子性方法进行数据操作（底层使用CAS算法）

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serialNumber.getAndIncrement(); // 调用原子性自增操作

2.3 设置原子性操作之后，就不会有重复的值了，如下

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模拟CAS算法示例

在上面我们设置了原子性操作来解决原子性问题。但是并没有写 CAS算法，因为这是底层调用的。

那么为了更好的理解，我们写一个简单的模拟CAS算法示例。

1.首先创建一个模拟CAS算法的类

/** * 模拟CAS算法的类 */class CompareAndSwap { //成员属性 private int value; //1. 获取内存值 V public synchronized int get() { return value; } //2.比较： 获取预估值 A = expectedValue， 比较 V 与 A 过后，判断是否 public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) { //1.首先读取内存中的值 V，设置为 oldValue int oldValue = this.value; //2.进行 V 与 A（预估值 expectedValue） 的比较， // 如果 V == A，那么内存值 V 设置为 B if (oldValue == expectedValue) { this.value = newValue; } //3.不管上面的操作如何，返回原来的内存值 V return oldValue; } //3. 判断设置是否成功 public synchronized boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue) { //1. 根据CAS判断返回的值 oldValue，判断是否 V == A // 如果返回的 V（oldValue） == A（expectedValue），则更新成功；反之失败 return expectedValue == compareAndSwap(expectedValue, newValue); }}

2.基于 CAS 算法类，创建多个线程，查看是否每次 CAS 更新成功

public class TestCompareAndSwap { public static void main(String[] args) { //1.创建cas算法类对象 final CompareAndSwap cas = new CompareAndSwap(); //2.遍历创建10个线程 for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { //1.在并发线程中，每个线程首先从内存获取值 int expectedValue = cas.get(); //2.将内存值设置 cas 算法中 与 随机更新值 比较 boolean b = cas.compareAndSet(expectedValue, (int)(Math.random() * 101)); //3.打印 cas 更新成功的情况 System.out.println(b); } }).start(); } }}

测试执行如下：

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