原子性、CAS操作

Java中的原子性操作

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，不存在只执行其中一部分的情况。

在设计计数器时一般都先读取当前值，然后+1,再更新。

这个过程是读—改—写的过程，如果不能保证这个过程是原子性的，那么就会出现线程安全问题。

如下代码是线程不安全的，因为不能保证++value是原子性操作。

那么如何才能保证多个操作的原子性呢?最简单的方法就是使用synchronized关键字进行同步。

使用synchronized关键字的确可以实现线程安全性，即内存可见性和原子性，但是synchronized是独占锁，没有获取内部锁的线程会被阻塞掉，而这里的getCount方法只是读操作，多个线程同时调用不会存在线程安全问题。

但是加了关键字synchronized后，同一时间就只能有一个线程可以调用，这显然大大降低了并发性。

你也许会问，既然是只读操作，那为何不去掉getCount方法上的synchronized关键字呢?其实是不能去掉的，别忘了这里要靠synchronized来实现value的内存可见性。

那么有没有更好的实现呢?答案是肯定的，下面将讲到的在内部使用非阻塞CAS算法实现的原子性操作类AtomicLong就是一个不错的选择。

Java中的CAS操作

在Java中，锁在并发处理中占据了一席之地，但是使用锁有一个不好的地方，就是当一个线程没有获取到锁时会被阻塞挂起，这会导致线程上下文的切换和重新调度开销。

Java提供了非阻塞的volatile关键字来解决共享变量的可见性问题，这在一定程度上弥补了锁带来的开销问题，但是volatile只能保证共享变量的可见性，不能解决读一改一写等的原子性问题。

CAS即Compare and Swap,其是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较一更新操作的原子性。JDK里面的Unsafe类提供了一系列的compareAndSwap*方法，下面以compareAndSwapLong方法为例进行简单介绍。

• boolean compareAndSwapLong(Object obj,long valueOffset,long expect,long update)方法：其中compareAndSwap的意思是比较并交换。CAS有四个操作数，分别为：对象内存位置、对象中的变量的偏移量、变量预期值和新的值。其操作含义是，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。这是处理器提供的一个原子性指令。

关于CAS操作有个经典的ABA问题，具体如下：假如线程I使用CAS修改初始值为A的变量X,那么线程I会首先去获取当前变量X的值(为A),然后使用CAS操作尝试修改X的值为B,如果使用CAS操作成功了，那么程序运行一定是正确的吗?其实未必，这是因为有可能在线程I获取变量X的值A后，在执行CAS前，线程Ⅱ使用CAS修改了变量X的值为B,然后又使用CAS修改了变量X的值为A。所以虽然线程I执行CAS时X的值是A,但是这个A已经不是线程I获取时的A了。这就是ABA问题。

ABA问题的产生是因为变量的状态值产生了环形转换，就是变量的值可以从A到B,然后再从B到A。

如果变量的值只能朝着一个方向转换，比如A到B,B到C,不构成环形，就不会存在问题。

JDK中的AtomicStampedReference类给每个变量的状态值都配备了一个时间戳，从而避免了ABA问题的产生。