JUC Atomic:原子类解析

JUC整体框架

一、JUC 包中的原子类是哪 4 类?

基本类型

使用原子的方式更新基本类型

• AtomicInteger：整形原子类
• AtomicLong：长整型原子类
• AtomicBoolean：布尔型原子类

数组类型

使用原子的方式更新数组里的某个元素

• AtomicIntegerArray：整形数组原子类
• AtomicLongArray：长整形数组原子类
• AtomicReferenceArray：引用类型数组原子类

引用类型

• AtomicReference：引用类型原子类
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。
• AtomicMarkableReference ：原子更新带有标记位的引用类型

对象的属性修改类型

• AtomicIntegerFieldUpdater：原子更新整形字段的更新器
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整形字段的更新器
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型字段的更新器

二、CAS详解

JUC中多数类是通过volatile和CAS来实现的，CAS本质上提供的是一种无锁方案，而Synchronized和Lock是互斥锁方案; java原子类本质上使用的是CAS，而CAS底层是通过Unsafe类实现的。所以需要对CAS, Unsafe和原子类详解

1、CAS的概念

CAS的全称为Compare-And-Swap，直译就是对比交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，经过调查发现，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，就是说CAS是靠硬件实现的，JVM只是封装了汇编调用，那些AtomicInteger类便是使用了这些封装后的接口。

简单解释就是：
真实值和期望值相同，就修改成功，真实值和期望值不同，就修改失败！

以AtomicInteger为例去理解CAS的概念：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);  // 旧值
boolean ato = atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021);  // 分别为期望值和新值，ato为true
System.out.println(atomicInteger.get());  // 结果为：2021

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) // 如果我期望值的达到了，那么就更新，否则，就不更新(会一直循环，一直往下看源码可知)，CAS是CPU的并发原语

2、CAS的好处

CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁，JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁(synchronized 重量级锁)来保持原子更新。

如果不使用CAS，在高并发下，多线程同时修改一个变量的值我们需要synchronized加锁(可能有人说可以用Lock加锁，Lock底层的AQS也是基于CAS进行获取锁的)。

public class Test {
    private int i=0;public synchronized int add(){
    return i++;}
}

java中为我们提供了AtomicInteger 原子类(底层基于CAS进行更新数据的)，不需要加锁就在多线程并发场景下实现数据的一致性。效率提高了很多

public class Test {
    private  AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);public int add(){
    return i.addAndGet(1);}
}

3、CAS的问题

乐观锁

乐观锁(Optimistic Lock),顾名思义，就是很乐观，每次去拿数据的时候都认为别人不会修改，所以不会上锁。但是在更新的时候会判断一下再此期间别人有没有去更新这个数据，可以使用版本号等机制，乐观锁适用于多读的应用类型，这样可以提高吞吐量，乐观锁策略：提交版本必须大于记录当前版本才能执行更新。

悲观锁

悲观锁(Pessimistic Lock),顾名思义，就是很悲观，每次去拿数据的时候都认为别人会修改，所以每次在拿数据的时候都会上锁，这样别人想拿到这个数据就会block直到它拿到锁。传统的关系型数据库里面就用到了很多这种锁机制，比如行锁，表锁等，读锁，写锁等，都是在操作之前先上锁。

CAS 方式为乐观锁，synchronized 为悲观锁。因此使用 CAS 解决并发问题通常情况下性能更优。

但使用 CAS 方式也会有几个问题：

3.1 ABA问题

1、 问题说明

比如说一个线程one从内存位置V中取出A，这个时候另一个线程two也从内存中取出A，并且线程two进行了一些操作将值变成了B，然后线程two又将 V位置的数据变成A，这时候线程one进行CAS操作发现内存中仍然是A，然后线程one操作成功。

尽管线程one的CAS操作成功，但是不代表这个过程就是没有问题的。

2、解决方案

ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A->B->A就会变成1A->2B->3A。

从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前版本是否等于预期版本，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

public boolean compareAndSet(V expectedReference, V newReference, int expectedStamp, int newStamp)

public static void main(String[] args) {
    // AtomicStampedReference 注意：如果泛型是一个包装类，注意对象的引用问题AtomicStampedReference<Integer> atomicReference = new AtomicStampedReference<Integer>(1,2);  // 当前引用为1，当前版本为2new Thread(()->{
    int stamp = atomicReference.getStamp();//获得版本号为2System.out.println("A1->"+stamp);   // (1) A1->2try {
    TimeUnit.SECONDS.sleep(1);} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();}// 当前引用等于预期引用，当前版本等于预期版本，满足条件，则将当前引用改为2，当前版本加1等于3System.out.println(atomicReference.compareAndSet(1, 2,atomicReference.getStamp(), atomicReference.getStamp() + 1));  // (3) true System.out.println("A2->"+atomicReference.getStamp()); // (3) A2->3// 当前引用等于预期引用，当前版本等于预期版本，满足条件，则将当前引用改为1，当前版本加1等于4System.out.println(atomicReference.compareAndSet(2, 1,atomicReference.getStamp(), atomicReference.getStamp() + 1));  // (4) true System.out.println("A3->"+atomicReference.getStamp()); (4) A3->4},"A").start();new Thread(()->{
    int stamp = atomicReference.getStamp();//获得版本号为2System.out.println("B1->"+stamp);  //(2) B1->2new ReentrantLock(true);try {
    TimeUnit.SECONDS.sleep(2);} catch (InterruptedException e) {
    e.printStackTrace();}// 当前引用(1)等于预期引用(1)，但是当前版本(4)不等于预期版本(2)（我们的预期版本应该是B1刚开始拿的，为2），不满足条件，所以当前引用依然是1，当前版本依然是4，成功解决ABA问题System.out.println(atomicReference.compareAndSet(1, 6,   // (5) flase stamp, stamp + 1));System.out.println("B2->"+atomicReference.getStamp());  // (5) B2->4},"B").start();}

结果：

A1->2
B1->2
true
A2->3
true
A3->4
false  
B2->4

3.2 循环时间长开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：第一，它可以延迟流水线执行命令(de-pipeline)，使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空(CPU Pipeline Flush)，从而提高CPU的执行效率

3.3 只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。 还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i = 2，j = a，合并一下ij = 2a，然后用CAS来操作ij。 从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

三、UnSafe类详解

1、UnSafe的概念、优点和缺点

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法（作用），如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用（优点）。
但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”（缺点），因此对Unsafe的使用一定要慎重

2、UnSafe类的总体功能

Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类，下面将对其相关方法和应用场景进行详细介绍

3、UnSafe与CAS

我们首先看一下AtomicInteger下的CAS命令，AtomicInteger.compareAndSet(期望值，更新值)

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);}

可以看到它是调用了UnSafe类下的compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update)方法，继续往下看

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

compareAndSwapInt()是一个本地方法

在UnSafe类中存在着这些方法，它们是通过调用compareAndSwapInt()实现的，同时也是CAS的原理所在
以getAndAddInt()为例

    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
      // var4是偏移量int var5; // var5是期望值do {
    // 获取传入对象的地址var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);// 比较并交换，如果var1，var2 还是原来的 var5，就执行内存偏移+1； var5 + var4} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));return var5;}

从源码中发现，内部使用自旋的方式进行CAS更新(while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试)。

又从Unsafe类中发现，原子操作其实只支持下面三个方法

public final native boolean compareAndSwapObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2, Object paramObject3);public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);public final native boolean compareAndSwapLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2, long paramLong3);

我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong。都是native方法。

四、AtomicInteger

1、 AtomicInteger的常用 API

public final int get()：获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)：获取当前的值，并设置新的值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)：当前值和期望值比较，相同则设置新值
public final int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement()：获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
void lazySet(int newValue): 最终会设置成newValue,使用lazySet设置值后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

2、 AtomicInteger的优势

传统的Integer需要加synchronized锁，才能保证原子性，但是synchronized锁是重量级锁，效率较低

private volatile int count = 0;
// 若要线程安全执行执行 count++，需要加锁
public synchronized void increment() {
    count++;
}
public int getCount() {
    return count;
}

使用 AtomicInteger 后：不需要加锁，也能够保证原子性，实现线程安全

private AtomicInteger count = new AtomicInteger();
public void increment() {
    count.incrementAndGet();
}
// 使用 AtomicInteger 后，不需要加锁，也可以实现线程安全
public int getCount() {
    return count.get();
}

3、AtomicInteger的源码

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();private static final long valueOffset;static {
    try {
    //用于获取value字段相对当前对象的“起始地址”的偏移量valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));} catch (Exception ex) {
     throw new Error(ex); }}private volatile int value;//返回当前值public final int get() {
    return value;}//递增加detlapublic final int getAndAdd(int delta) {
    //三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、当前value要加上的数(value+delta)。return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);}//递增加1public final int incrementAndGet() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;}
...
}

我们可以看到 AtomicInteger 底层用的是volatile的变量和CAS来进行更改数据的。

• volatile保证线程的可见性，多线程并发时，一个线程修改数据，可以保证其它线程立马看到修改后的值
• CAS 保证数据更新的原子性。

五、面试问题

1、线程安全的实现方法有哪些?

• 互斥同步: synchronized 和 ReentrantLock
• 非阻塞同步: CAS, AtomicXXXX
• 无同步方案: 栈封闭，Thread Local，可重入代码

2、什么是CAS? CAS使用示例，结合AtomicInteger给出示例?

简单解释就是：
真实值和期望值相同，就修改成功，真实值和期望值不同，就修改失败！
以AtomicInteger为例去理解CAS的概念：

AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);  // 旧值
boolean ato = atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021);  // 分别为期望值和新值，ato为true
System.out.println(atomicInteger.get());  // 结果为：2021

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) // 如果我期望值的达到了，那么就更新，否则，就不更新(会一直循环，一直往下看源码可知)，CAS是CPU的并发原语

3、CAS会有哪些问题? 针对这这些问题，Java提供了哪几个解决的?

• ABA问题（版本号去解决）
• 循环时间开销大（PAUSE指令）
• 只能保证一个共享变量的原子操作（多个共享变量合并成一个共享变量来操作）

4、AtomicInteger底层实现?

CAS+volatile

5、请阐述你对Unsafe类的理解?

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法（作用），如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用（优点）。
但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”（缺点），因此对Unsafe的使用一定要慎重

6、说说你对Java原子类的理解? 包含13个，4组分类，说说作用和使用场景。

7、AtomicStampedReference是什么?

原子更新引用类型, 内部使用Pair来存储元素值及其版本号，可以解决ABA问题

8、AtomicStampedReference是怎么解决ABA的?

内部使用Pair来存储元素值及其版本号

9、java中还有哪些类可以解决ABA的问题?

AtomicMarkableReference