7、共享模型之无锁并发

问题引出
- 使用synchronized等加锁的方式实现线程安全
- 无锁的方式实现线程安全
底层原理概述—->CAS
- volatile 在 CAS中的作用
  - 为什么CAS+重试(无锁)效率高
  - 乐观锁和悲观锁的特点)">CAS 的特点 (乐观锁和悲观锁的特点)
原子类
CAS底层原理
- 概述
  - 使用Unsafe模拟实现原子类
- CAS的实现原理
  - 原理概述
  - CAS存在的ABA问题

Java中 synchronized 和 ReentrantLock 等独占锁就是 **悲观锁** 思想的体现。
在Java中java.util.concurrent.atomic包下面的原子变量类就是使用基于乐观锁思想的 **CAS** 方式实现的。
管程即monitor是阻塞式的悲观锁实现并发控制，这章我们将通过非阻塞式的乐观锁的来实现并发控制 。

问题引出

使用synchronized等加锁的方式实现线程安全

有如下需求，保证account.withdraw取款方法的线程安全, 下面使用synchronized保证线程安全

Account接口中有两个接口方法，跟一个测试方法，

interface Account {
    // 获取余额
    Integer getBalance();
    // 取款
    void withdraw(Integer amount);
    /**
     * Java8之后接口新特性, 可以添加默认方法
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(Account account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        long start = System.nanoTime();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(10);
            }));
        }
        ts.forEach(thread -> thread.start());
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        long end = System.nanoTime();
        System.out.println(account.getBalance()
                + " cost: " + (end - start) / 1000_000 + " ms");
    }
}

实现

class AccountUnsafe implements Account {
    private Integer balance;
    public AccountUnsafe(Integer balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        synchronized (this) {
            return balance;
        }
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        // 通过这里加锁就可以实现线程安全，不加就会导致线程安全问题
        synchronized (this) {
            balance -= amount;
        }
    }
}

测试
demo方法是静态的，需要接口来调，因为它就是声明在接口的。

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        Account.demo(new AccountUnsafe(10000));
    }
}

无锁的方式实现线程安全

上面的代码中使用synchronized加锁操作来保证线程安全，但是 synchronized加锁操作太耗费资源 (因为底层使用了操作系统mutex指令, 造成内核态和用户态的切换)，这里我们通过原子整型来使用无锁思想来解决此问题

class AccountCas implements Account {
    //使用原子整数类型: 底层使用CAS+重试的机制，而不是传统的Integer整数类型
    private AtomicInteger balance;
    public AccountCas(int balance) {
        this.balance = new AtomicInteger(balance);
    }
    @Override
    public Integer getBalance() {
        //得到原子整数的值
        return balance.get();
    }
    @Override
    public void withdraw(Integer amount) {
        while(true) {
            //获得修改前的最新值
            int prev = balance.get();
            //获得修改后的值
            int next = prev - amount;
            /*
            此时的prev、next都是（局部变量）存储在工作内存中的，还没有同步到主内存中
            */
            //真正修改，第一个参数是调用get方法获得的值，第二个参数是要修改的值，修改成功会返回true         
            if(balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

底层原理概述—->CAS

上面使用AtomicInteger的案例解决方法，内部并没有用锁也能实现共享变量的线程安全。那么它是如何实现的呢？

其中的关键是 compareAndSwap方法（比较并设置值），它的简称就是 CAS （也有 Compare And Swap 的说法），它必须是原子操作。
我们来分析一下它具体是怎么实现的：

流程 :

当一个线程要去修改Account对象中的值时，先调用get方法获取值prev（），然后再将其设置为新的值next（调用cas方法）。在调用cas方法时，会将prev与Account中的余额进行比较(满足一定条件才能更新成功)。
- 如果两者相等，就说明该值还未被其他线程修改，此时便可以进行修改操作。
- 如果两者不相等，就不设置值，重新获取值prev（调用get方法），然后再将其设置为新的值next（调用cas方法），直到修改成功为止。
假如在执行cas方法之前，另外的一个线程就已经将其修改为90；你就得在其他线程修改的基础上再进行修改（人家修改为90，你就得在90的基础上进行你的增减操作）。既然其他线程修改了，所以你之前调用的get方法获取的prev跟共享变量上的最新结果不一样，所以本次修改失败，返回false；再次进行循环，如此反复直到修改成功。
cas方法是怎么知道共享变量被其他线程修改的？比较的结果不一样呗

注意 :

其实 CAS 的底层是 lock cmpxchg 指令（X86 架构），在单核 CPU 和多核 CPU 下都能够保证【比较-交换】的原子性。
在多核状态下，某个核执行到带 lock 前缀的指令时，CPU 会让总线锁住，当当前这个核（线程）把此指令执行完毕，再开启总线。这个过程中不会被线程的调度机制所打断，保证了多个线程对内存操作的准确性，是原子的。

volatile 在 CAS中的作用

在上面代码中的AtomicInteger类，保存值的value属性使用了volatile 修饰。获取共享变量时，为了保证该共享变量的可见性，需要使用 volatile 修饰。

volatile可以用来修饰成员变量和静态成员变量，他可以避免线程从自己的工作缓存中查找变量的值，必须到主存中获取它的值，线程操作 volatile 变量都是直接操作主存。这就是可见性的体现，即一个线程对 volatile 变量的修改，对另一个线程可见。
注意: volatile 仅仅保证了共享变量的可见性，让其它线程能够看到最新值，但不能解决指令交错问题（不能保证原子性）
**CAS 必须借助 volatile 才能读取到共享变量的最新值来实现【比较并交换】的效果**

为什么CAS+重试(无锁)效率高
使用CAS+重试—-也就是无锁模式的情况下，即使重试失败，线程始终在高速运行，没有停歇，而 synchronized会让线程在没有获得锁的时候，发生上下文切换，进入阻塞。
- 打个比喻：线程就好像高速跑道上的赛车，高速运行时，速度超快，一旦发生上下文切换，就好比赛车要减速、熄火，等被唤醒又得重新打火、启动、加速… 恢复到高速运行状态，代价比较大。
但无锁情况下，因为线程要保持运行，需要额外 CPU 的支持，CPU 在这里就好比高速跑道，没有额外的跑道，线程想高速运行也无从谈起，虽然不会进入阻塞，但由于没有分到时间片**，仍然会进入可运行状态，还是会导致上下文切换。**

CAS 的特点 (乐观锁和悲观锁的特点)
结合 CAS 和 volatile 可以实现无锁并发，适用于线程数少、多核 CPU 的场景下。
CAS 是基于乐观锁的思想：最乐观的估计，不怕别的线程来修改共享变量，就算改了也没关系，我吃亏点再重试呗。
synchronized 是基于悲观锁的思想：最悲观的估计，得防着其它线程来修改共享变量，我上了锁你们都别想改，我改完了解开锁，你们才有机会。
CAS 体现的是无锁并发、无阻塞并发，请仔细体会这两句话的意思
- 因为没有使用 synchronized，所以线程不会陷入阻塞，这是效率提升的因素之一
- 但如果竞争激烈(写操作多)，可以想到重试必然频繁发生，反而效率会受影响

原子类

基本类

java.util.concurrent.atomic并发包提供了一些并发工具类：使用原子操作的方式 (共享数据为基本数据类型原子类）

AtomicInteger：整型原子类
AtomicLong：长整型原子类
AtomicBoolean ：布尔型原子类

通过观察源码可以发现这几个类内部都是通过cas的原理来实现的，而cas底层又是使用到了，sun.misc.Unsafe类来实现；换句话说CAS的底层是sun.misc.Unsafe类，这里先不说这个类，后面会具体分析到它，先来看看这几个原子基本类；
这三个类提供的方法几乎相同，所以我们将以 AtomicInteger为例子来介绍。先讨论原子整数类，以 AtomicInteger 为例讨论它的api方法

AtomicInteger API演示

public static void main(String[] args) {
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);
        // 先获取再自增（i = 0, 结果 i = 1, 返回 0），类似于 i++
        System.out.println("i.getAndIncrement()  "+i.getAndIncrement()  );
        System.out.println("i  "+i );
        // 先自增再获取（i = 1, 结果 i = 2, 返回 2），类似于 ++i
        System.out.println(i.incrementAndGet());
        // 先自减再获取（i = 2, 结果 i = 1, 返回 1），类似于 --i
        System.out.println(i.decrementAndGet());
        // 获取并自减（i = 1, 结果 i = 0, 返回 1），类似于 i--
        System.out.println(i.getAndDecrement());
        // 先获取再加值（i = 0, 结果 i = 5, 返回 0）
        System.out.println(i.getAndAdd(5));
        // 先加值再获取（i = 5, 结果 i = 0, 返回 0）
        System.out.println(i.addAndGet(-5));
        // 先获取再更新（i = 0, p 为 i 的当前值, 结果 i = -2, 返回 0）
        // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.getAndUpdate(p -> p - 2));
        // 先更新再获取（i = -2, p 为 i 的当前值, 结果 i = 0, 返回 0）
        // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.updateAndGet(p -> p + 2));
        // 先获取再计算（i = 0, p 为 i 的当前值, x 为参数1, 结果 i = 10, 返回 0）
        // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        // getAndUpdate 如果在 lambda 中引用了外部的局部变量，要保证该局部变量是 final 的
        // getAndAccumulate 可以通过 参数1 来引用外部的局部变量，但因为其不在 lambda 中因此不必是 final
        System.out.println(i.getAndAccumulate(10, (p, x) -> p + x));
        // 计算并获取（i = 10, p 为 i 的当前值, x 为参数1值, 结果 i = 0, 返回 0）
        // 函数式编程接口，其中函数中的操作能保证原子，但函数需要无副作用
        System.out.println(i.accumulateAndGet(-10, (p, x) -> p + x));
    }

updateAndGet的实现

上面演示的方法都只能做一些简单的加法减法，这里我们演示一下稍微更复杂一点的操作，比如除法或者乘法；

简单写法：

    public static void main(String[] args) {
        //想要在5的基础上进行乘法运算
        AtomicInteger i = new AtomicInteger(5);
        //简单写法
        i.updateAndGet(value ->value * 10);
        System.out.println(i.get()); // 2
    }

想做更复杂的运算的话

步骤:

调用updateAndGet方法, 将共享变量i,以及 IntUnaryOperator对象传递过去
updateAndGet方法内部, 传过来的operator对象, 调用IntUnaryOperator中的applyAsInt方法, 实际调用的就是传递过来的对象的方法, 进行 / 操作 ```java public static void main(String[] args) {

    AtomicInteger i = new AtomicInteger(5);
    updateAndGet(i, new IntUnaryOperator() {
        @Override
        public int applyAsInt(int operand) {
            return operand / 2;
        }
    });
    System.out.println(i.get()); // 2
}
/**
 * 如果让我们来实现线程安全计算的话该如何？
 * 这里我们考虑使用最基本的compareAndSet思想来实现；
 * 使用一个while(true)循环来实现，一旦有其他线程将其修改，就进行重试
 * 直到期待值跟最新值相等
 * @param i
 * @param operator
 */
public static void updateAndGet(AtomicInteger i, IntUnaryOperator operator) {
    while (true) {
        //获取到当前值
        int prev = i.get(); // 5
        //进行计算，并将结果存放在next中
        int next = operator.applyAsInt(prev);
        //使用compareAndSet方法进行比较并更新
        if (i.compareAndSet(prev, next)) {
            //若果成功了就break
            break;
        }
    }
}


<a name="iJjVQ"></a>
### 原子引用 (AtomicReference)类
原子引用的作用: **保证引用类型的共享变量是线程安全的(确保这个原子引用没有引用过别人**
- 为什么需要原子引用类型 ? (引用数据类型原子类) 
基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用引用类型原子类。
- 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 ：原子更新带有标记的引用类型。该类将 boolean 标记与引用关联起来，也可以**解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题**。
例子 : 使用原子引用实现BigDecimal存取款的[线程安全](https://so.csdn.net/so/search?q=%E7%BA%BF%E7%A8%8B%E5%AE%89%E5%85%A8&spm=1001.2101.3001.7020)：
```java
interface DecimalAccount {
    // 获取余额
    BigDecimal getBalance();
    // 取款
    void withdraw(BigDecimal amount);
    /**
     * 方法内会启动 1000 个线程，每个线程做 -10 元 的操作
     * 如果初始余额为 10000 那么正确的结果应当是 0
     */
    static void demo(DecimalAccount account) {
        List<Thread> ts = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            ts.add(new Thread(() -> {
                account.withdraw(BigDecimal.TEN);
            }));
        }
        ts.forEach(Thread::start);
        ts.forEach(t -> {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        });
        System.out.println(account.getBalance());
    }
}

下面这个是不安全的实现过程：

class DecimalAccountUnsafe implements DecimalAccount {
    BigDecimal balance;
    public DecimalAccountUnsafe(BigDecimal balance) {
        this.balance = balance;
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance;
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        BigDecimal balance = this.getBalance();
        this.balance = balance.subtract(amount);
    }
}

解决代码如下：在AtomicReference类中，存在一个value类型的变量，保存对BigDecimal对象的引用。

public class Test1 {
    public static void main(String[] args) {
        DecimalAccount.demo(new DecimalAccountCas(new BigDecimal("10000")));
    }
}
class DecimalAccountCas implements DecimalAccount {
    //原子引用，泛型类型为小数类型，保护BigDecimal
    private final AtomicReference<BigDecimal> balance;
    public DecimalAccountCas(BigDecimal balance) {
                    //创建的是一个AtomicReference
        this.balance = new AtomicReference<>(balance);
    }
    @Override
    public BigDecimal getBalance() {
        return balance.get();
    }
    @Override
    public void withdraw(BigDecimal amount) {
        while (true) {
            BigDecimal prev = balance.get();
            BigDecimal next = prev.subtract(amount);
            if (balance.compareAndSet(prev, next)) {
                break;
            }
        }
    }
}

ABA 问题及解决 (`重点`)

如下程序所示，虽然在other方法中存在两个线程对共享变量进行了修改，**但是修改之后又变成了原值，main线程对`修改过共享变量的过程`是不可见的，这种操作这对业务代码并无影响。** ```java public class Test1 { //该变量的初始值是A，我们想在后面将其修改为C static AtomicReference ref = new AtomicReference<>(“A”);

public static void main(String[] args) {

  new Thread(() -> {
      String pre = ref.get();
      System.out.println("change");
      try {
          other();
      } catch (InterruptedException e) {
          e.printStackTrace();
      }
      Sleeper.sleep(1);
      //把ref中的A改为C
      System.out.println("change A->C " + ref.compareAndSet(pre, "C"));
  }).start();

}

static void other() throws InterruptedException {

  new Thread(() -> {
      // 此时ref.get()为A,此时共享变量ref也是A,没有被改过, 此时CAS
      // 可以修改成功, B
      System.out.println("change A->B " + ref.compareAndSet(ref.get(), "B"));
  }).start();
  Thread.sleep(500);
  new Thread(() -> {
      // 同上, 修改为A
      System.out.println("change B->A " + ref.compareAndSet(ref.get(), "A"));
  }).start();

} }

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/28814483/1652954967095-4a7020f3-1267-4865-a06c-c9f4dad111e8.png#clientId=u5326913a-fb1e-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=130&id=ue1b3ccd6&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=162&originWidth=716&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=22202&status=done&style=none&taskId=uaa44b1de-8638-4599-9138-2307620a997&title=&width=572.8)
- 主线程仅能判断出共享变量的值与最初值 A是否相同，不能感知到这种从 A 改为 B 又改回 A 的情况，也就是说它不能判断出其他线程将A修改成另外的值然后又修改回A值的情况，在A变为B但没变回A之前，其他线程能做很多事情了！！！
- 如果主线程希望：**只要有其它线程【修改过】共享变量，那么自己的 cas 就算失败，这时，仅比较值是不够的，需要再加一个版本号。可以使用AtomicStampedReference来解决。**
<a name="TrOYx"></a>
#### AtomicStampedReference (加版本号解决ABA问题)
- 谁修改过原来的值，就得将版本号进行更新，这样即可解决ABA问题
```java
  class Test1 {
    //指定版本号初始为0
    static AtomicStampedReference<String> ref = new AtomicStampedReference<>("A", 0);
    public static void main(String[] args) {
        new Thread(() -> {
            //获取的方法也有所变化
            String pre = ref.getReference();
            //获得版本号
            int stamp = ref.getStamp(); // 此时的版本号还是第一次获取的
            System.out.println("change");
            try {
                other();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            //把ref中的A改为C,并比对版本号，如果版本号相同，就执行替换，并让版本号+1
            System.out.println("change A->C stamp " + stamp + ref.compareAndSet(pre, "C", stamp, stamp + 1));
        }).start();
    }
    static void other() throws InterruptedException {
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            System.out.println("change A->B stamp " + stamp + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "B", stamp, stamp + 1));
        }).start();
        Thread.sleep(500);
        new Thread(() -> {
            int stamp = ref.getStamp();
            System.out.println("change B->A stamp " + stamp + ref.compareAndSet(ref.getReference(), "A", stamp, stamp + 1));
        }).start();
    }
}

AtomicMarkableReference (标记cas的共享变量是否被修改过)

AtomicStampedReference 可以给原子引用加上版本号，追踪原子引用整个的变化过程，如：A -> B -> A ->C，通过AtomicStampedReference，我们可以知道，引用变量中途被更改了几次。
但是有时候，我们并不关心引用变量更改了几次，只是单纯的关心是否更改过，所以就有了AtomicMarkableReference ，用一个布尔值来记录是否被改动过

@Slf4j(topic = "guizy.TestABAAtomicMarkableReference")
  class TestABAAtomicMarkableReference {
    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        GarbageBag bag = new GarbageBag("装满了垃圾");
        // 参数2 mark 可以看作一个标记，true表示垃圾袋满了
        AtomicMarkableReference<GarbageBag> ref = new AtomicMarkableReference<>(bag, true);
        log.debug("主线程 start...");
        GarbageBag prev = ref.getReference();
        log.debug(prev.toString());
        new Thread(() -> {
            log.debug("打扫卫生的线程 start...");
            bag.setDesc("空垃圾袋");
            //                      两个都是bag没有真正进行修改，只是将状态从true改成false
            while (!ref.compareAndSet(bag, bag, true, false)) {
            }
            log.debug(bag.toString());
        }).start();
        Thread.sleep(1000);
        log.debug("主线程想换一只新垃圾袋？");
        boolean success = ref.compareAndSet(prev, new GarbageBag("空垃圾袋"), true, false);
        log.debug("换了么？" + success);
        log.debug(ref.getReference().toString());
    }
}
class GarbageBag {
    //对垃圾的描述
    String desc;
    public GarbageBag(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    public void setDesc(String desc) {
        this.desc = desc;
    }
    @Override
    public String toString() {
        return super.toString() + " " + desc;
    }
}

AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference两者的区别

AtomicStampedReference 需要我们传入整型变量作为版本号，来判定是否被更改过
AtomicMarkableReference需要我们传入布尔变量作为标记，来判断是否被更改过

原子数组

保证数组内的元素的线程安全
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

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们这里以 AtomicIntegerArray 为例子来介绍。实例代码

普通数组内元素, 多线程访问会造成安全问题

 class AtomicArrayTest {
 public static void main(String[] args) {
     //想要获得的效果是在一个长度为10的数组里面，将其里面的每个元素从0自增到10000
     //调用demo方法
     demo(
             () -> new int[10],
             array -> array.length,
             (array, index) -> array[index]++,
             array -> System.out.println(Arrays.toString(array))
     );
 }
 /**
  * 参数1，提供数组、可以是线程不安全数组或线程安全数组
  * 参数2，获取数组长度的方法
  * 参数3，自增方法，回传 array, index
  * 参数4，打印数组的方法
  */
 // 函数式接口一：supplier 表示提供者 无中生有，没有参数，但是需要返回结果，如 ()->结果
 // 函数式接口二：function 表示函数， 一个参数一个返回结果，如 (参数)->结果 , 还有一种是两个参数返回一个结果，如BiFunction (参数1,参数2)->结果
 // 函数式接口三：consumer 表示消费者 一个参数但没结果  如 (参数)->void, 另一中两个参数，如BiConsumer (参数1,参数2)->void
 private static <T> void demo(Supplier<T> arraySupplier, Function<T, Integer> lengthFun,
                              BiConsumer<T, Integer> putConsumer, Consumer<T> printConsumer) {
     List<Thread> ts = new ArrayList<>();
     T array = arraySupplier.get();
     int length = lengthFun.apply(array);
 for (int i = 0; i < length; i++) {
     // 创建10个线程, 每个线程对数组作 10000 次操作
     ts.add(new Thread(() -> {
         for (int j = 0; j < 10000; j++) {
             putConsumer.accept(array, j % length);
         }
     }));
 }
 ts.forEach(t -> t.start()); // 启动所有线程
 ts.forEach(t -> {
     try {
         t.join();
     } catch (InterruptedException e) {
         e.printStackTrace();
     }
 }); // 等所有线程结束
 printConsumer.accept(array);
  }
}

使用AtomicIntegerArray来创建安全数组 ```java //方式一： demo(

  ()-> new AtomicIntegerArray(10),
  (array) -> array.length(),
  (array, index) -> array.getAndIncrement(index),
  array -> System.out.println(array)

); //方式二： demo(

  ()-> new AtomicIntegerArray(10),
  AtomicIntegerArray::length,
  AtomicIntegerArray::getAndIncrement,
  System.out::println

);

![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/28814483/1652959199247-b0b185b7-bfbc-40e3-8884-8d9837a853ed.png#clientId=u5326913a-fb1e-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=58&id=u141f25dc&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=72&originWidth=1034&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=27901&status=done&style=none&taskId=u005601b7-0c66-4701-8dd3-84b2d4fc0ba&title=&width=827.2)
<a name="ooCU1"></a>
### 字段更新器
保证多线程访问同一个对象的成员变量时, **成员变量**的线程安全性。
- AtomicReferenceFieldUpdater —引用类型的属性
- AtomicIntegerFieldUpdater —整形的属性
- AtomicLongFieldUpdater —长整形的属性
注意：利用字段更新器，可以针对对象的某个域（Field）进行原子操作，只能配合 volatile 修饰的字段使用，否则会出现异常。<br />![image.png](https://cdn.nlark.com/yuque/0/2022/png/28814483/1652959234353-1670b38a-41eb-4d53-9973-6c4c9bcedd53.png#clientId=u5326913a-fb1e-4&crop=0&crop=0&crop=1&crop=1&from=paste&height=47&id=u0f461b46&margin=%5Bobject%20Object%5D&name=image.png&originHeight=59&originWidth=1091&originalType=binary&ratio=1&rotation=0&showTitle=false&size=23391&status=done&style=none&taskId=u8f5fcc6f-2b89-409d-86d4-6eb8f0b7e01&title=&width=872.8)使用示例
```java
public class AtomicFieldTest {
    public static void main(String[] args) {
        Student stu = new Student();
        // 获得原子更新器
          // 泛型
          // 参数1 持有属性的类 参数2 被更新的属性的类
          // newUpdater中的参数：第三个为属性的名称
        AtomicReferenceFieldUpdater updater = AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Student.class, String.class, "name");
        // 期望的为null, 如果name属性没有被别的线程更改过, 默认就为null, 此时匹配, 就可以设置name为张三
        System.out.println(updater.compareAndSet(stu, null, "张三"));
        System.out.println(updater.compareAndSet(stu, stu.name, "王五"));
        System.out.println(stu);
    }
}
class Student {
    volatile String name;
    @Override
    public String toString() {
        return "Student{" +
                "name='" + name + '\'' +
                '}';
    }
}

原子累加器 LongAddr极其源码 (重要)

CAS底层原理

概述

java中提供了对CAS操作的支持，具体在sun.misc.unsafe类中。这个unsafe并不是指线程的不安全，而是因为它太底层了不建议程序员直接去操作它。

Unsafe 对象提供了非常底层的，操作内存、线程的方法，Unsafe 对象不能直接调用，只能通过**反射**获得（**该对象其源码被声明为单例且私有，故需要反射进行获取**）
可以发现我们之前学习的CAS、LockSupport、AtomicInteger以及其他的原子类, 底层都使用的是**Unsafe**类中的相应方法

其中底层的Unsafe有关CAS的相关方法实现原子操作的方法声明如下（当然该类的其他方法也可以操作内存） ```java /* 参数： var1:表示要操作的对象 var2:表示要操作的对象中属性地址的偏移量，我们只能知道对象的地址，对象中的属性地址得根据偏移量获取 var4:表示要修改的期望值，只有跟修改前一致才能进行修改 var5:表示要修改为的新值

这几个方法compareAndSwapXXXX,Object表示要修改对象的类型为Object，另外两个方法同理 */ public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5); public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);


这里我们演示一下使用unsafe对象直接对Person对象中的属性进行线程安全的修改。因为它的底层是通过对内存的偏移量来定位到Person对象的属性的，所以比较复杂，在定位到属性后再进行比较操作；
所以我们首先要获取到属性的偏移量（偏移地址），这个可以调用unsafe对象的objectFieldOffset方法来获取；获取完偏移地址就可以对里面的属性值进行cas修改了。
```java
public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 通过反射获得Unsafe对象
        Class unsafeClass = Unsafe.class;
        // 获得构造函数，Unsafe的构造函数为私有的
        Constructor constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
        // 设置为允许访问私有内容
        constructor.setAccessible(true);
        // 创建Unsafe对象
        Unsafe unsafe = (Unsafe) constructor.newInstance();
        // 创建Person对象
        Person person = new Person();
        // 获得其属性 name 的偏移量
        long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(Person.class.getDeclaredField("name"));
        long ageOffset = unsafe.objectFieldOffset(Person.class.getDeclaredField("age"));
        // 通过unsafe的CAS操作改变值
        //compareAndSwapObject方法是比较并交换引用地址
        unsafe.compareAndSwapObject(person, nameOffset, null, "张三");
        //compareAndSwapInt方法是比较并交换int
        unsafe.compareAndSwapInt(person, ageOffset, 0, 22);
        System.out.println(person);
    }
}
class Person {
    // 配合CAS操作，必须用volatile修饰
    volatile String name;
    volatile int age;
    @Override
    public String toString() {
        return "Person{" +
                "name='" + name + '\'' +
                ", age=" + age +
                '}';
    }
}

使用Unsafe模拟实现原子类

设计的大体思路就是先利用反射获取到一个unsafe对象，并且计算出要保护的变量属性的偏移量；然后利用unsafe对象结合cas操作完成赋值时的原子性。

class MyAtomicInteger{
    //MyAtomicInteger类中要保护的是int类型的value，因为要配合cas，所以用volatile进行修饰
    private volatile int value;
    private  static final long valueOffset;
    //声明一个静态的unsafe对象
    private static final Unsafe UNSAFE;
    static {
        UNSAFE=UnsafeAccessor.getUnsafe();
        //计算要保护变量的偏移量
        try {
            valueOffset=UNSAFE.objectFieldOffset(MyAtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
            //要通过unsafe对象操作数据需要先得到域的偏移量，然后得到偏移量时可能抛出找不到域的异常，由于这种异常不会发生，
            // 所以转化成非受查异常。在后续调用方法就不用处理这个异常。
            throw new RuntimeException(e);
        }
    }
    public int getValue(){
        return value;
    }
    public void decrement(int amount){
        //while循环保证赋值时的原子性
        while (true){
            int prev = this.value;
            int next = prev-amount;
            //利用unsafe对象完成赋值
            if (UNSAFE.compareAndSwapInt(this,valueOffset,prev,next)){
                break;
            }
        }
    }
}
/*
* 获取一个unsafe对象
* */
class UnsafeAccessor{
    private static final Unsafe UNSAFE;
    static {
        try {
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            UNSAFE= (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        }catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e){
            throw new Error(e);
        }
    }
    public static Unsafe getUnsafe(){
        return UNSAFE;
    }
}

CAS的实现原理

原理概述

CAS操作是通过调用JNI（Java本地接口）的代码实现，JNI: java Native Interface，允许java调用其它的语言。而compareAndSwapxxx系列的方法就是借助“C语言”来调用cpu底层指令实现的。
以常用的Intel x86（英特尔）平台来说，最终映射到的cpu的指令为“cmpxchg”，这是一个原子指令，涉及汇编语言，给相应指令加了lock前缀进行lock加锁保证原子，cpu执行此命令时，实现比较并替换的操作!
也就是说在现代计算机动不动就上百核心的情况下，cmpxchg是这样保证多核心下的线程安全的：
在系统底层进行CAS操作的时候，会判断当前系统是否为多核心系统，如果是就给“总线”加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后才会执行CAS操作，也就是说CAS的原子性是平台级别的 !

CAS存在的ABA问题

在之前原子类那里已经介绍过了，这里不再赘述。