原子变量及 CAS

2023-12-26 07:10:05

原子变量顾名思义，就是具有原子性的变量。原子性是指变量操作不会被中断，无论有多少线程同时操作该变量，都只能由一个线程对其进行操作。

在 Java 中，原子变量是通过 CAS（Compare-And-Swap）操作来实现的。CAS 操作的基本原理是：比较变量的当前值是否等于预期值，如果是则更新变量的值，否则不更新。

CAS 操作的格式如下：

boolean compareAndSet(int expectedValue, int newValue)

expectedValue： 预期的值。
newValue： 如果变量的当前值等于 expectedValue，则将变量的值更新为 newValue。

CAS 操作的实现步骤如下：

线程 A 将变量的当前值读入寄存器中。
线程 A 将 expectedValue 与寄存器中的值进行比较。
如果 expectedValue 等于寄存器中的值，则线程 A 将 newValue 写入寄存器中。
线程 A 将寄存器中的值写入变量中。

如果在步骤 2 中，线程 A 发现 expectedValue 不等于寄存器中的值，则说明变量的值已被其他线程修改。此时，线程 A 需要重新获取变量的当前值，并再次执行 CAS 操作。

CAS 操作保证了原子性 ，因为它只允许一个线程对变量进行操作。如果其他线程试图在同一时间访问变量，它们将被阻塞，直到第一个线程完成操作。

CAS 操作的应用场景非常广泛 ，比如：

实现锁： CAS 操作可以用来实现锁，从而保证共享资源的独占访问。
计数器： CAS 操作可以用来实现计数器，从而保证对共享计数器的并发访问。
原子更新： CAS 操作可以用来原子地更新变量的值，从而保证更新操作的正确性。

示例：

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASDemo {

    private static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) {
        // 创建多个线程，同时对count进行加一操作
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                    // 使用 CAS 操作对count进行加一操作
                    count.incrementAndGet();
                }
            }).start();
        }

        // 等待所有线程执行完成
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        // 打印count的最终值
        System.out.println("count = " + count.get());
    }
}