这篇文章，说说 CAS，还有Java java.util.concurrent.atomic 包下的 Atomic 原子类。

1、什么是CAS

CAS：Compare and Swap，即比较再交换。cpu的特殊指令，指令级别保证这是一个原子操作。
CAS 需要有3个操作数：内存值V，旧的预期值A，即将要更新的目标值B。 CAS指令执行时，当且仅当内存值V的值与预期值A相等时，将内存值V的值修改为B，否则就什么都不做。整个比较并替换的操作是一个原子操作。

通常在自旋（死循环）中不断地进行 CAS 操作。

2、模仿 CAS

/**
 * Description: 模仿 CAS
 *
 * @author Xander
 * datetime: 2020-11-13 7:02
 */
public class MockCas {

    /**
     * 内存值
     */
    private volatile int value;

    public MockCas(int value) {
        this.value = value;
    }

    /**
     * 模仿 CAS
     *
     * @param expectedValue 预期值
     * @param newValue      要更新的新值
     * @return
     */
    public synchronized int compareAndSwap(int expectedValue, int newValue) {
        int oldValue = value;
        if (oldValue == expectedValue) {
            value = newValue;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " cas 操作成功");
        } else {
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " cas 操作失败");
        }
        return oldValue;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        // 内存值是 100
        int value = 100;
        int expectedValue = 100;
        MockCas cas = new MockCas(value);
        Thread thread0 = new Thread(() -> {
            int oldValue = cas.compareAndSwap(expectedValue, 101);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " cas 内存值：" + oldValue);
        });
        Thread thread1 = new Thread(() -> {
            int oldValue = cas.compareAndSwap(expectedValue, 101);
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " cas 内存值：" + oldValue);
        });
        thread0.start();
        thread1.start();
        thread0.join();
        thread1.join();
    }
}

运行结果：

Thread-0 cas 操作成功
Thread-0 cas 内存值：100
Thread-1 cas 操作失败
Thread-1 cas 内存值：101

3、Java中原子类

原子类的作用和锁类似，是为了保证并发情况下线程安全。
不过原子类相比于锁，有一定的优势：
1）粒度更细：原子变量可以把竞争范围缩小到变量级别，这是我们可以获得的最细粒度的情况了，通常锁的粒度都要大于原子变量的粒度
2）效率更高：通常，使用原子类的效率会比使用锁的效率更高。

Jdk java.util.concurrent.atomic 包中提供了 6 类原子类：

Atomic* 基本类型原子类：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong
Atomic*Array 数组类型原子类：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
Atomic*Reference 引用类型原子类：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference
Atomic*FieldUpdater 升级原子类： AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater
Adder累加器：LongAdder、DoubleAdder
Accumulator累加器：LongAccumulator、DoubleAccumulator

4、Java 是如何利用 CAS 实现原子操作的

原子操作，是不可分割，不可中断的，即便是多线程的情况下也可以保证。

Unsafe类

Unsafe 是CAS的核心类。Java无法直接访问低层操作系统，而是通过本地方法(native)来进行访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类 Unsafe ，它提供了硬件级别的原子操作。

valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的，就这样我们就能通过 Unsafe 来实现CAS了。

以 AtomicInteger 为例，分析在Java中是如何利用 CAS 实现原子操作的？
AtomicInteger 加载 Unsafe 工具，用来直接操作内存数据，用 Unsafe 来实现低层 CAS 操作，用 volatile 修饰 value 字段，保证可见性。

AtomicInteger getAndAdd()方法源码

// AtomicInteger 部分源码
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
...
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            // value 的内存偏移地址
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    // value值
    private volatile int value;

    /**
     * Atomically adds the given value to the current value.
     *
     * @param delta the value to add
     * @return the previous value
     */
    public final int getAndAdd(int delta) {
        // unsafe 中 do-while 循环，自旋，直至 cas 操作成功
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
    }
...
}

// Unsafe部分源码 getAndAddInt
public final class Unsafe {

...
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        // do-while 循环，自旋，不断地调用 compareAndSwapInt(cas操作) 直到成功
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

    // 低层的 cas 操作
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

...
}

5、基础类型原子类，演示AtomicInteger的基本用法

对比非原子类的线程安全问题，使用了原子类之后，不需要加锁，也可以保证线程安全。

AtomicInteger 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 int getAndIncrement()：获取当前的值，并自增1
public final int getAndDecrement()：获取当前值，并自减1
public final int getAndAdd(int delta)：获取当前的值，并加上预期的值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update)：如果输入的等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入值，设置成功返回true，否则 expect 不等于内存值，返回false


/**
* Description: 演示AtomicInteger的基本用法，对比非原子类的线程安全问题，使用了原子类之后，不需要加锁，也可以保证线程安全。
* @author Xander
* datetime: 2020-11-13 12:53
*/
public class AtomicIntegerDemo implements Runnable {

    /**
     * 普通变量，对变量的操作非线程安全
     */
    private static volatile int var = 0;

    /**
     * 原子类变量，线程安全操作
     */
    private static final AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger();

    /**
     * 对普通变量进行+1
     */
    public void incrementBasic() {
        var++;
    }

    /**
     * 对原子变量进行+1
     */
    public void incrementAtomic() {
        atomicInteger.getAndIncrement();
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int i = 0; i < 10000; i++) {
            incrementAtomic();
            incrementBasic();
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicIntegerDemo r = new AtomicIntegerDemo();
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("原子类的结果：" + atomicInteger.get());
        System.out.println("普通变量的结果：" + var);
    }
}

运行结果：

原子类的结果：20000
普通变量的结果：19264

2个线程，分别进行10000次 +1 操作，可以看出原子变量的结果是符合预期的，而普通变量的结果则是不正确的。

6、数组类型原子类，演示 AtomicIntegerArray 的基本用法

AtomicIntegerArray(int length)：根据给定的 length 初始化数组，新建长度为 length 的成员变量array，array = new int[length];
AtomicIntegerArray(int[] array)：根据给定的数组 clone() 初始化成员变量的 array，this.array = array.clone();
int addAndGet(int i, int delta)：对数组中下标为 i 的元素添加 delta 并返回更新后的值
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update)：对数组中下标为 i 的元素传入 expect 值和 update 值，进行 cas 操作，如果 expect 值等于内存值，则修改成功，返回true，否则返回false
int decrementAndGet(int i)：对数组中下标为 i 的元素 -1，然后返回修改后的值
int get(int i)：返回数组中下标为 i 的元素的值
int getAndAdd(int i, int delta)：对数组中下标为 i 的元素添加 delta 并返回更新前的值
int getAndDecrement(int i)：对数组中下标为 i 的元素 -1，然后返回修改前的值
int getAndIncrement(int i)：对数组中下标为 i 的元素 +1，然后返回修改前的值
int getAndSet(int i, int newValue)：对数组中下标为 i 的元素自旋设值 newValue，然后返回修改前的值
int incrementAndGet(int i)：对数组中下标为 i 的元素 +1，然后返回修改后的值
int length()：返回数组的长度

两个线程并发对长度为 5 的普通数组变量和原子类 AtomicIntegerArray 的每个元素分别进行10000次+1，原子变量的结果是符合预期的，而普通数组变量的结果则是不正确的。

/**
 * 演示原子数组的使用方法
 */
public class AtomicArrayDemo implements Runnable {

    static int length = 5;
    /**
     * 普通数组变量，对变量的操作非线程安全
     */
    private static volatile int[] array = new int[length];

    /**
     * 原子类变量，线程安全操作
     */
    private static final AtomicIntegerArray atomicIntegerArray = new AtomicIntegerArray(length);

    /**
     * 对普通变量进行+1
     */
    public void incrementBasic(int index) {
        array[index]++;
    }

    /**
     * 对原子变量进行+1
     */
    public void incrementAtomic(int index) {
        atomicIntegerArray.getAndIncrement(index);
    }

    @Override
    public void run() {
        for (int index = 0; index < length; index++) {
            for (int count = 0; count < 10000; count++) {
                incrementAtomic(index);
                incrementBasic(index);
            }
        }
    }


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        AtomicArrayDemo r = new AtomicArrayDemo();
        Thread t1 = new Thread(r);
        Thread t2 = new Thread(r);
        t1.start();
        t2.start();
        t1.join();
        t2.join();
        System.out.println("原子类的结果：" + atomicIntegerArray);
        System.out.println("普通变量的结果：");
        for (int item : array) {
            System.out.print(item + " ");
        }
    }
}

运行结果：

原子类的结果：[20000, 20000, 20000, 20000, 20000]
普通变量的结果：
19345 18226 17153 17765 19513

7、引用类型原子类，演示 AtomicReference 的基本用法

V get()：获取 AtomicReference 的 value ，是一个引用类型。
set(V newValue)：设置 AtomicReference 的新值
V getAndSet(V newValue)：设置 AtomicReference 的新值，并返回旧的值

/**
 * 演示引用类型的原子操作类
 */
public class AtomicReferenceDemo {
	
	static AtomicReference<UserInfo> userRef = new AtomicReference<UserInfo>();
	
    public static void main(String[] args) {
        UserInfo user = new UserInfo("Mark", 15);//要修改的实体的实例
        userRef.set(user);
        
        UserInfo updateUser = new UserInfo("Bill", 17);//要变化的新实例
        userRef.compareAndSet(user, updateUser);
        System.out.println(userRef.get().getName());
        System.out.println(userRef.get().getAge());
        System.out.println(user.getName());
        System.out.println(user.getAge());        
    }
    
    //定义一个实体类
    static class UserInfo {
        private 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;
        }
    }

}

运行结果：

Bill
17
Mark
15

8、带版本戳引用类型原子类，演示 AtomicStampedReference 的基本用法


/**
 * 演示带版本戳的原子操作类
 */
public class AtomicStampedReferenceDemo {

    static AtomicStampedReference<String> asr =
            new AtomicStampedReference<>("Xander", 0);


    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final int oldStamp = asr.getStamp();//拿初始的版本号
        final String oldReferenc = asr.getReference();//拿初始的引用

        System.out.println(oldReferenc + "===========" + oldStamp);

        Thread rightStampThread = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                String reference = asr.getReference();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        + "  修改前变量值：" + reference + "  修改前版本戳：" + asr.getStamp() + "  修改成功："
                        + asr.compareAndSet(oldReferenc, oldReferenc + "Java", oldStamp, oldStamp + 1));
            }

        });

        Thread errorStampThread = new Thread(new Runnable() {

            @Override
            public void run() {
                String reference = asr.getReference();
                System.out.println(Thread.currentThread().getName()
                        + "  修改前变量值：" + reference + "  修改前版本戳：" + asr.getStamp() + "  修改成功："
                        + asr.compareAndSet(reference, reference + "C", oldStamp, oldStamp + 1));

            }

        });

        rightStampThread.start();
        rightStampThread.join();
        errorStampThread.start();
        errorStampThread.join();
        System.out.println(asr.getReference() + "===========" + asr.getStamp());

    }
}

运行结果：

Xander===========0
Thread-0  修改前变量值：Xander  修改前版本戳：0  修改成功：true
Thread-1  修改前变量值：XanderJava  修改前版本戳：1  修改成功：false
XanderJava===========1

9、CAS的问题

ABA 问题

CAS 的理念是，在我修改值期间，没有其他人进行修改，我最后再修改值。

什么是 ABA 问题？
①线程1和线程2，同时需要对内存值V进行操作，同时读出当前内存值V=A，
②线程1 准备修改为 A1 ，于是它准备执行 compareAndSwap(int expectedValue, int newValue)，其中 expectedValue=A，newValue=A1;
③在线程1准备进行修改之前，线程2也对内存值V 进行修改，并且进行了两次修改，先从 A 修改为 B (compareAndSwap(A,B))，再由 B 修改为 A (compareAndSwap(B,A));
④线程1最后 compareAndSwap(A, A1)，这时候，线程1也能够执行成功，但是会存在很多潜在的问题，因为在线程1修改期间，内存值V已经被多次修改。

怎么避免 ABA 问题？可以通过版本号解决，例如原子类AtomicStampedReference。

开销问题

通常原子操作是在自旋（死循环）中不断地进行 CAS 操作直至成功，例如 Unsafe 类中的 getAndAddInt()。
如果我们设计类似 Unsafe 类中的自旋算法时，需要注意如果 CAS 操作长期不成功，cpu不断的循环，会存在开销问题。

// Unsafe部分源码 getAndAddInt
public final class Unsafe {

...
    public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        // do-while 循环，自旋，不断地调用 compareAndSwapInt(cas操作) 直到成功
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

    // 低层的 cas 操作
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

...
}

这篇文章给大家浅谈了什么是 CAS，给大家介绍了 JDK 中常用类型的 Atomic* 原子类的使用，我这里也是简单的介绍，相信大家读完这篇文章，理解 CAS 算法后，再去读其他原子类的源码，也是很简单的，最后说明了 CAS算法和自旋，可能会存在的 ABA问题和开销问题。

代码：
https://github.com/wengxingxia/002juc.git

juc-06-CAS与Atomic原子类原创

1、什么是CAS

2、模仿 CAS

3、Java中原子类

4、Java 是如何利用 CAS 实现原子操作的

Unsafe类

5、基础类型原子类，演示AtomicInteger的基本用法

6、数组类型原子类，演示 AtomicIntegerArray 的基本用法

7、引用类型原子类，演示 AtomicReference 的基本用法

8、带版本戳引用类型原子类，演示 AtomicStampedReference 的基本用法

9、CAS的问题

ABA 问题

开销问题