CAS&Atomic 原子操作详解

        什么是原子操作？如何实现原子操作？

        什么是原子性？相信很多同学在工作中经常使用事务，事务的一大特性就是原子性（事务具有 ACID 四大特性），一个事务包含多个操作，这些操作要么全部执行，要么全都不执行。

        并发里的原子性和原子操作是一样的内涵和概念，假定有两个操作 A 和 B 都包含多个步骤，如果从执行 A 的线程来看，当另一个线程执行 B 时，要么将 B 全部执行完，要么完全不执行 B，执行 B 的线程看 A 的操作也是一样的，那么 A 和 B 对彼此来说是原子的。

        实现原子操作可以使用锁，锁机制，满足基本的需求是没有问题的了，但是有的时候我们的需求并非这么简单，我们需要更有效，更加灵活的机制，synchronized 关键字是基于阻塞的锁机制，也就是说当一个线程拥有锁的时候，访问同一资源的其它线程需要等待，直到该线程释放锁。

        这里会有些问题：首先，如果被阻塞的线程优先级很高很重要怎么办？其次， 如果获得锁的线程一直不释放锁怎么办？同时，还有可能出现一些例如死锁之类的情况，最后，其实锁机制是一种比较粗糙，粒度比较大的机制，相对于像计数器这样的需求有点儿过于笨重。为了解决这个问题，Java 提供了 Atomic 系列的原子操作类。

        这些原子操作类其实是使用当前的处理器基本都支持 CAS 的指令，比如 Intel 的汇编指令 cmpxchg，每个厂家所实现的具体算法并不一样，但是原理基本一样。每一个 CAS 操作过程都包含三个运算符：一个内存地址 V，一个期望的值 A 和一 个新值 B，操作的时候如果这个地址上存放的值等于这个期望的值 A，则将地址上的值赋为新值 B，否则不做任何操作。

        CAS 的基本思路就是，如果这个地址上的值和期望的值相等，则给其赋予新值，否则不做任何事儿，但是要返回原值是多少。自然 CAS 操作执行完成时，在业务上不一定完成了，这个时候我们就会对 CAS 操作进行反复重试，于是就有了循环 CAS。很明显，循环 CAS 就是在一个循环里不断的做 cas 操作，直到成功为止。Java 中的 Atomic 系列的原子操作类的实现则是利用了循环 CAS 来实现。

        CAS 实现原子操作的三大问题

        ABA 问题

        因为 CAS 需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 A，那么使用 CAS 进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。

        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。举个通俗点的例子，你倒了一杯水放桌子上，干了点别的事，然后同事把你水喝了又给你重新倒了一杯水，你回来看水还在，拿起来就喝，如果你不管水中间被人喝过，只关心水还在，这就是 ABA 问题。

        如果你是一个讲卫生讲文明的小伙子，不但关心水在不在，还要在你离开的时候水被人动过没有，因为你是程序员，所以就想起了放了张纸在旁边，写上初始值 0，别人喝水前麻烦先做个累加才能喝水。

        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。

        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。

        Jdk 中相关原子操作类的使用

        AtomicInteger

        •int addAndGet（int delta）：以原子方式将输入的数值与实例中的值（AtomicInteger 里的 value）相加，并返回结果。

        •boolean compareAndSet （int expect，int update ）：如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入的值。

        •int getAndIncrement() ：以原子方式将当前值加 1 ，注意，这里返回的是自增前的值。

        •int getAndSet （int newValue ）：以原子方式设置为 newValue 的值，并返回旧值。

        AtomicIntegerArray

        主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下。

        •int addAndGet （int i，int delta ）：以原子方式将输入值与数组中索引 i 的元素相加。

        •boolean compareAndSet （int i，int expect，int update ）：如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置 i 的元素设置成 update 值。需要注意的是，数组 value 通过构造方法传递进去，然后 AtomicIntegerArray会将当前数组复制一份，所以当 AtomicIntegerArray 对内部的数组元素进行修改时，不会影响传入的数组。

        更新引用类型

        原子更新基本类型的 AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子更新多个变量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic 包提供了以下 3 个类。

        AtomicReference

        原子更新引用类型。

        AtomicStampedReference

        利用版本戳的形式记录了每次改变以后的版本号，这样的话就不会存在 ABA 问题了。这就是 AtomicStampedReference 的解决方案。AtomicMarkableReference 跟 AtomicStampedReference 差不多，AtomicStampedReference 是使用 pair 的 int stamp 作为计数器使用，AtomicMarkableReference 的 pair 使用的是 boolean mark。 还是那个水的例子，AtomicStampedReference 可能关心的是动过几次， AtomicMarkableReference 关心的是有没有被人动过，方法都比较简单。

        AtomicMarkableReference

        原子更新带有标记位的引用类型。可以原子更新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是 AtomicMarkableReference（V initialRef，booleaninitialMark）。

        LongAdder

        LongAdder 的基本思路就是分散热点，将 value 值分散到一个数组中，不同线程会命中到数组的不同槽中，各个线程只对自己槽中的那个值进行 CAS 操作，这样热点就被分散了，冲突的概率就小很多。如果要获取真正的 long 值，只要将各个槽中的变量值累加返回。

面试必问并发安全问题

        线程安全性

        什么是线程安全性？我们可以这么理解，我们所写的代码在并发情况下使用时，总是能表现出正确的行为；反之，未实现线程安全的代码，表现的行为是不可预知的，有可能正确，而绝大多数的情况下是错误的。

        当多个线程访问某个类时，不管运行时环境采用何种调度方式或者这些线程将如何交替执行，并且在调用代码中不需要任何额外的同步或者协同，这个类都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

        如何实现 

        1.线程封闭

        实现好的并发是一件困难的事情，所以很多时候我们都想躲避并发。避免并发最简单的方法就是线程封闭。什么是线程封闭呢？

        就是把对象封装到一个线程里，只有这一个线程能看到此对象。那么这个对象就算不是线程安全的也不会出现任何安全问题。

        栈封闭

        栈封闭是我们编程当中遇到的最多的线程封闭。什么是栈封闭呢？简单的说就是局部变量。多个线程访问一个方法，此方法中的局部变量都会被拷贝一份到线程栈中。所以局部变量是不被多个线程所共享的，也就不会出现并发问题。所以能用局部变量就别用全局的变量，全局变量容易引起并发问题。

        TheadLocal

        ThreadLocal 是实现线程封闭的最好方法。ThreadLocal 内部维护了一个 Map，Map 的 key 是每个线程的名称，而 Map 的值就是我们要封闭的对象。每个线程中的对象都对应着 Map 中一个值，也就是 ThreadLocal 利用 Map 实现了对象的线程封闭。

        2.无状态的类

        没有任何成员变量的类，就叫无状态的类，这种类一定是线程安全的。

        3.让类不可变

        让状态不可变，加 final 关键字，对于一个类，所有的成员变量应该是私有的，同样的只要有可能，所有的成员变量应该加上 final 关键字，但是加上 final，要注意如果成员变量又是一个对象时，这个对象所对应的类也要是不可变，才能保证整个类是不可变的。

        但是要注意，一旦类的成员变量中有对象，上述的 final 关键字保证不可变并不能保证类的安全性，为何？因为在多线程下，虽然对象的引用不可变，但是对象在堆上的实例是有可能被多个线程同时修改的，没有正确处理的情况下，对象实例在堆中的数据是不可预知的。

        4.加锁和 CAS

        我们最常使用的保证线程安全的手段，使用 synchronized 关键字，使用显式锁，使用各种原子变量，修改数据时使用 CAS 机制等等。

        死锁  

        是指两个或两个以上的进程在执行过程中，由于竞争资源或者由于彼此通信而造成的一种阻塞的现象，若无外力作用，它们都将无法推进下去。此时称系统处于死锁状态或系统产生了死锁。

        所以总结一下：

        1、死锁是必然发生在多操作者（M>=2 个）争夺多个资源（N>=2 个，且 N<=M）

才会发生这种情况。很明显，单线程自然不会有死锁，只有 B 一个去，不要 2 个，打十个都没问题；单资源呢？只有 13，A 和 B 也只会产生激烈竞争，打得不可开交，谁抢到就是谁的，但不会产生死锁。

        2、争夺资源的顺序不对，如果争夺资源的顺序是一样的，也不会产生死锁；

        3、争夺者对拿到的资源不放手。

避免死锁常见的算法有有序资源分配法、银行家算法。

package cn.tulingxueyuan.safe.dl;

/**
 *@author 
 *
 *类说明：演示死锁的产生
 */
public class NormalDeadLock {

    private static Object No13 = new Object();//第一个锁
    private static Object No14 = new Object();//第二个锁

    //第一个拿锁的方法
    private static void zhouYuDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (No13){
            System.out.println(threadName + " get No13");
            Thread.sleep(100);
            synchronized (No14){
                System.out.println(threadName + " get No14");
            }
        }

    }

    //第二个拿锁的方法
    private static void monkeyDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        synchronized (No13){
            System.out.println(threadName + " get No13");
            Thread.sleep(100);
            synchronized (No14){
                System.out.println(threadName + " get No14");
            }
        }
    }

    //子线程，代表周瑜老师
    private static class ZhouYu extends Thread{

        private String name;

        public ZhouYu(String name) {
            this.name = name;
        }

        @Override
        public void run() {
            Thread.currentThread().setName(name);
            try {
                zhouYuDo();
            } catch (Exception e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        //主线程，代表Monkey老师
        Thread.currentThread().setName("Monkey");
        ZhouYu zhouYu = new ZhouYu("ZhouYu");
        //System.out.println(ManagementFactory.getRuntimeMXBean().getName());
        zhouYu.start();
        monkeyDo();
    }

}

         如何解决

        定位

        要解决死锁，当然要先找到死锁，怎么找？

        通过 jps 查询应用的 id，再通过 jstack id 查看应用的锁的持有情况

        两种解决方式

                1、内部通过顺序比较，确定拿锁的顺序；

                2、采用尝试拿锁的机制。

        以下代码采用 显式锁实现

package cn.tulingxueyuan.safe.dl;

import java.util.Random;
import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 *@author Mark老师   
 *类说明：演示普通账户的死锁和解决
 */
public class TryLock {
    private static Lock No13 = new ReentrantLock();//第一个锁
    private static Lock No14 = new ReentrantLock();//第二个锁

    //先尝试拿No13 锁，再尝试拿No14锁，No14锁没拿到，连同No13 锁一起释放掉
    private static void zhouYuDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        Random r = new Random();
        while(true){
            if(No13.tryLock()){
                System.out.println(threadName +" get 13");
                try{
                    if(No14.tryLock()){
                        try{
                            System.out.println(threadName  +" get 14");
                            System.out.println("zhouYuDo do work------------");
                            break;
                        }finally{
                            No14.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    No13.unlock();
                }

            }
            //Thread.sleep(r.nextInt(3));
        }
    }

    //先尝试拿No14锁，再尝试拿No13锁，No13锁没拿到，连同No14锁一起释放掉
    private static void monkeyDo() throws InterruptedException {
        String threadName = Thread.currentThread().getName();
        Random r = new Random();
        while(true){
            if(No14.tryLock()){
                System.out.println(threadName +" get 14");
                try{
                    if(No13.tryLock()){
                        try{
                            System.out.println(threadName +" get 13");
                            System.out.println("monkeyDo do work------------");
                            break;
                        }finally{
                            No13.unlock();
                        }
                    }
                }finally {
                    No14.unlock();
                }

            }
            //Thread.sleep(r.nextInt(3));
        }
    }

    private static class ZhouYu extends Thread{

        private String name;

        public ZhouYu(String name) {
            this.name = name;
        }

        public void run(){
            Thread.currentThread().setName(name);
            try {
                zhouYuDo();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Thread.currentThread().setName("Monkey");
        ZhouYu zhouYu = new ZhouYu("ZhouYu");
        zhouYu.start();
        try {
            monkeyDo();
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

        其他安全问题 

        活锁

        两个线程在尝试拿锁的机制中，发生多个线程之间互相谦让，不断发生同一个线程总是拿到同一把锁，在尝试拿另一把锁时因为拿不到，而将本来已经持有的锁释放的过程。

        解决办法：每个线程休眠随机数，错开拿锁的时间。

        线程饥饿

        低优先级的线程，总是拿不到执行时间