原子变量&&CAS算法

进入今天的主题先看一段代码和代码的输出结果

class AtomicDemo implements Runnable{    private int serialNumber=0;    public int getSerialNumber() {        return serialNumber++;    }    @Override    public void run() {        try {            Thread.sleep(100);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println(getSerialNumber());    }}public class TestAutomic {    public static void main(String[] args) {        AtomicDemo atomicDemo=new AtomicDemo();        for (int i = 0; i < 10; i++) {            new Thread(atomicDemo).start();         }    }}

可以看到在多线程的情况下serialNumber++操作出现了问题，分析下为什么会出现这个问题?

主内存和工作内存的区别：
根据JMM的设计，系统存在一个主内存(Main Memory)，Java中所有变量都储存在主存中，对于所有线程都是共享的。每条线程都有自己的工作内存(Working Memory)，工作内存中保存的是主存中某些变量的拷贝，线程对所有变量的操作都是在工作内存中进行，线程之间无法相互直接访问，变量传递均需要通过主存完成。

由于serialNumber++操作，会在内存中产生一个临时的变量temp，首先将temp=serialNumber，然后serialNumber=serialNumber+1操作，最后serialNumber=1去更新主存的值；但是在多线程并发的情况下，线程2拿到的serialNumber的值可能是0，可能不是serialNumber=serialNumber+1操作后的值。由于原子性的操作是不可以分割的，但是++的操作把serialNumber++分割了，在多线程的情况下，所以出现了这种情况。在Volatile关键字内存可见的情况下，输出的结果还是一样的，因为Volatile关键字不能保证变量状态的“原子性操作”，怎么解决这个问题，先看2个概念。

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

看上图的下方的左边部分，V=0 拿到是主存的值，A=0是作为比较的值，B=1是在当前的线程1，V+1之后之后的值（通过B来更新主存的值），右边部分 V=0 在多线程的情况下拿到的可能是0，A=1是在线程1（多线程的情况下），+1之后改之后的值，B=1是当前的线程2，V+1之后的值，V！=A，此时不能拿B去更新主存的值，说白了就是在多个线程的情况下，只有一个线程会执行成功。但是由于CAS 是一种无锁的非阻塞算法的实现，压根不会放弃CPU给它的执行权，执行的效率非常的高，又会去执行一遍，取主存拿值，然后在计算更新值。这个要清楚的是CAS算法是一种硬件对并发的支持（看概念）。

修改后的代码

class AtomicDemo implements Runnable{    //private int serialNumber=0;    private AtomicInteger atomicInteger=new AtomicInteger();    public int getSerialNumber() {        return atomicInteger.getAndIncrement();  //自增加1    }    @Override    public void run() {        try {            Thread.sleep(100);        } catch (InterruptedException e) {            e.printStackTrace();        }        System.out.println(getSerialNumber());    }}public class TestAutomic {    public static void main(String[] args) {        AtomicDemo atomicDemo=new AtomicDemo();        for (int i = 0; i < 10; i++) {            new Thread(atomicDemo).start();         }    }}

原子变量保证了数据的原子性，volatile关键字内存可见性。

说到最后，到底CAS算法是怎么实现的? 下篇博客介绍。