Java并发编程（二）：原子变量和CAS算法

原子变量和CAS算法

什么是原子性？

不可分割的操作，要么全部做了，要么一点也不做

i++的原子性问题

/**
 * 实际上i++分为三个步骤 “读-改-写”
 * int i = 0;
 * i++;
 * 实际上的操作：
 * int tmp = i;
 * tmp = i+1;
 * i = tmp;
 */

所以，i++操作并不是原子性的

看下面的一段代码：

public class Main {
    public static void main(String[] args)
    {
    AtomicDemo ad = new AtomicDemo();

    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        new Thread(ad).start();
    }

    }

}
 class AtomicDemo implements Runnable{
    private int serialNumber = 0;

    public int getSerialNumber()
    {
        return serialNumber++;
    }
    @Override
    public void run() {

        try{
            Thread.sleep(200);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+getSerialNumber());
        }
        catch (Exception e )
        {
        }
    }
}

代码逻辑：

• 开10个线程，每个线程都对serialNumber做加一操作

实际上运行结果：

Thread-6 : 2
Thread-8 : 0
Thread-1 : 7
Thread-2 : 6
Thread-7 : 1
Thread-3 : 5
Thread-0 : 8
Thread-9 : 0
Thread-5 : 3
Thread-4 : 4

注意：由于线程并发冲突并不是每次都发生的，发生后产生的结果也不尽相同

• 可以看到结果出现了问题（出现了两个0，没到到达9）

发生了什么？

• 多个线程同时访问主存中的共享数据
  • 线程1拿到 serialNumber加一打印，同时线程2 也拿到serialNumber并加一打印
  • 造成了加一结果重复
  • 即使用volatile关键字，也没办法保证原子性问题

怎么解决？

一、使用原子变量

可以参见java.util.concurrent.atomic包中提供的一些保证原子性的类（jdk1.5之后提供）

• 用volatile保证内存可见性
• 用CAS算法保证数据的原子性，CAS是硬件对并发操作共享数据的支持

什么是CAS？

Java中CAS的过程：

• 内存位置（Java中简单理解为变量内存地址，用V表示）

• 旧的预期值A，准备设置的新值B

• 当且仅当V符合A时，处理器才会用B更新V，否则不执行更新，最终无论是否更新都返回V的地址

这种算法就保证了修改操作的原子性

为什么比锁效率高？

即使CAS操作不成功，也不会阻塞，而是再次尝试，直到成功

注意：如果尝试的次数过多，CAS操作的效率可能还不如锁，这时候一些轻量级锁就会进行粗化操作，详细的说明可以去看JVM原理相关资料

将代码中的int类变为AtomicInteger类，如下：

import java.util.concurrent.atomic.*;
public class Main {
    public static void main(String[] args)
    {
    AtomicDemo ad = new AtomicDemo();
    for(int i=0;i<10;i++)
    {
        new Thread(ad).start();
    }

    }

}

 class AtomicDemo implements Runnable{
    private AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger();

    public int getSerialNumber()
    {
        //获取并递增
        return serialNumber.getAndIncrement();
    }
    @Override
    public void run() {
        try{
            Thread.sleep(200);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+" : "+getSerialNumber());
        }
        catch (Exception e )
        {
        }
    }
}

执行结果：

Thread-4 : 2
Thread-8 : 7
Thread-7 : 8
Thread-3 : 3
Thread-9 : 6
Thread-5 : 4
Thread-6 : 5
Thread-2 : 1
Thread-1 : 0
Thread-0 : 9

从0-9，结果正确