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无锁解决线程安全问题

在多线程环境下，线程安全是一个常见的问题。传统的解决方法是使用锁，这种方法通过让某一段代码在运行时独占处理，避免了并发访问带来的安全问题。然而，锁的使用可能会导致线程阻塞，尤其是在竞争激烈的情况下，会严重影响系统的性能。

CAS与volatile

在前面的示例中，我们看到 AtomicInteger 的实现并没有使用锁来保护共享变量的线程安全。这是因为 AtomicInteger 内部使用了 比较并交换（CAS） 原子操作。CAS 是一种乐观的锁机制，它假设其他线程不会在关键时刻修改共享变量。如果发现共享变量已经被修改，则会重试操作。这种机制不需要显式的锁，能够在多核环境下保证线程安全。

CAS的工作流程

当一个线程要修改共享变量时，首先会获取当前的值（pre），然后计算新的值（next）。随后，通过 CAS 操作，检查当前值是否等于 pre：

• 如果相等，说明没有其他线程在修改，立即将值设置为 next。
• 如果不相等，说明可能存在其他线程的修改操作，线程会重试。

volatile的作用

为了确保所有线程能够看到共享变量的最新值，必须使用 volatile 修饰。volatile 标志表示该变量的值会随着主存的变化而更新，所有线程都能访问到最新的值。然而，volatile 本身不能解决指令交错问题（无法保证原子性），因此需要结合 CAS 来实现线程安全。

CAS的优势

• 无锁：没有显式的锁，线程不会被阻塞。
• 无阻塞：线程可以在不占用锁的情况下执行操作，提高效率。
• 乐观锁：假设其他线程不会修改共享变量，重试机制能够处理竞争情况。

原子整数

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger 提供了一个 thread-safe 的原子整数类型，适用于多线程环境下的计数器等场景。它支持原子操作，如自增、自减、加法和减法等，保证这些操作的原子性。

AtomicInteger的方法

• getAndIncrement()：获取并增加当前值。
• incrementAndGet()：增加当前值并返回新值。
• getAndDecrement()：获取并减少当前值。
• decrementAndGet()：减少当前值并返回旧值。
• getAndAdd(long)：获取并加上指定值。
• addAndGet(long)：加上指定值并返回新值。
• getAndUpdate(BiFunction)：通过函数更新当前值并返回旧值。
• updateAndGet(BiFunction)：执行函数并更新当前值，返回新值。

原子引用

对于需要原子操作的非基本类型（如 BigDecimal），可以使用 AtomicReference。它能够安全地管理对象引用，防止多线程环境下引用失效。

AtomicReference的方法

• get()：获取当前引用。
• set(T)：将引用设置为指定对象。
• compareAndSet(Object, Object)：比较当前引用和指定值，如果相等则将引用设置为指定值。

ABA问题与AtomicStampedReference

在并发环境下，可能会出现 ABA（Already Blocked, Already Accessing）问题，即多个线程同时尝试修改同一个共享变量。为了解决这一问题，AtomicStampedReference 在每次操作时记录变量的版本号，从而避免版本不一致的情况。

AtomicStampedReference的工作原理

• 版本号：每次操作都需要一个版本号，用于跟踪变量的修改次数。
• compareAndSet：比较当前引用和指定值，并对版本号进行校验，确保操作的原子性。

AtomicMarkableReference

如果只需要判断共享变量是否被修改过，可以使用 AtomicMarkableReference。它通过标记位来记录变量是否被修改，从而简化版本控制。

原子数组与原子字段更新器

除了单个原子操作，java.util.concurrent.atomic 包还提供了原子数组和原子字段更新器：

• 原子数组：支持原子操作的数组类型，如 AtomicIntegerArray。
• 原子字段更新器：用于管理对象字段的原子更新，例如 AtomicReferenceFieldUpdater。

LongAdder的原理

LongAdder 是一个高效的原子累加器，优化了 AtomicInteger 的实现，通过减少锁争用和缓存行的伪共享问题，提升了性能。

LongAdder的主要属性

• cells：懒初始化的原子累加单元数组。
• base：用于在无竞争情况下累加的基础值。
• cellsBusy：用于标记当前单元是否被占用。

LongAdder的累加逻辑

• 伪共享：通过添加空白数据（@sun.misc.Contended）打破缓存行的伪共享问题。
• 扩展机制：在高竞争情况下动态扩展单元数组，减少锁的使用。

Unsafe对象

sun.misc.Unsafe 提供了底层的内存操作方法，主要用于实现高性能原子操作。它需要通过反射访问，通常用于高级的并发控制。

Unsafe的主要方法

• compareAndSwap：实现 CAS 原子操作。
• objectFieldOffset：获取对象字段的相对偏移量。
• arrayOffset：获取数组元素的相对偏移量。

自己模拟实现原子整数

通过 sun.misc.Unsafe 模拟实现一个原子整数。关键在于使用 compareAndSwapInt 方法实现原子操作，并确保 volatile 修饰共享变量。

总结

通过合理使用 CAS、volatile、AtomicInteger、AtomicReference 等原子操作，可以在多线程环境下实现线程安全。选择合适的原子操作类型和结构，既能保证效率，又能避免并发问题。

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