什么是原子操作？如何实现原子操作？
假定有两个操作A和B(A和B可能都很复杂)，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，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？（这种情况是非常糟糕的）。还有一种情况，如果有大量的线程来竞争资源，那CPU将会花费大量的时间和资源来处理这些竞争，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。
实现原子操作还可以使用当前的处理器基本都支持CAS()的指令，只不过每个厂家所实现的算法并不一样，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。循环CAS就是在一个循环里不断的做cas操作，直到成功为止。
CAS实现原子操作的三大问题
1. 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。
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。
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。
JDK中相关原子操作类的使用
- 更新基本类型类：
AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong - 更新数组类：
AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray - 更新引用类型：
AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference
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。
public class UseAtomicInt {
static AtomicInteger ai = new AtomicInteger(10);
public static void main(String[] args) {
ai.getAndIncrement();// i++
ai.incrementAndGet();// ++i
ai.addAndGet(24);
}
}
以下代码是incrementAndGet()的源码，它调用了Unsafe的getAndAddInt()。
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
}
以下代码是getAndAddInt()源码，var1指示对象内存地址，var2指示该字段相对对象内存地址的偏移，var4指示操作需要加的数值，这里为1。通过getIntVolatile(var1, var2)得到旧的预期值，通过调用compareAndSwapInt()来进行CAS比较，如果该字段内存地址中的值等于var5，那么就更新内存地址为var1+var2的变量为var5+var4。
可以看到getAndAddInt()在一个循环中进行，发生冲突的做法是不断的进行重试。
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
} while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
return var5;
}
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。主要解决CAS的只能保证一个共享变量的原子操作。
如果想同时解决两个变量，怎么办？
可以把两个变量组合到一个对象里面去，然后一次性改某一个对象就可以了。
public class UseAtomicReference {
static AtomicReference<UserInfo> atomicUserRef;
public static void main(String[] args) {
UserInfo user = new UserInfo("Mark", 15);//要修改的实体的实例
atomicUserRef = new AtomicReference(user);
UserInfo updateUser = new UserInfo("Bill",17);
atomicUserRef.compareAndSet(user,updateUser);
System.out.println(atomicUserRef.get());
System.out.println(user);
}
//定义一个实体类
static class UserInfo {
private volatile String name;
private int age;
public UserInfo(String name, int age) {
this.name = name;
this.age = age;
}
public String getName() {
return name;
}
public int getAge() {
return age;
}
@Override
public String toString() {
return "UserInfo{" +
"name='" + name + '\'' +
", age=" + age +
'}';
}
}
}
UserInfo{name='Bill', age=17}
UserInfo{name='Mark', age=15}
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)。
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