Atomic原子类详解

为什么需要Atomic原子操作类？
在并发环境中，代码如果操作相同的数据，就会产生资源竞争，导致结果远小于预期值
例如在A线程B线程中同时获取到变量数据为1，同时执行变量+1操作，结果可能也是1，存在脏读幻读问题，因为在同一个进程中，资源是共享的，因此需要进行原子操作

volatile关键字

作用： 禁止CPU缓存，直接从主内存获取数据，更新数据时通知到其他线程，保证线程运行时候数据的可见性，防止指令重排
在并发环境中，如果多个线程进行资源竞争，依旧无法解决脏读幻读问题，有序问题

CAS原理

CAS （compareAndSwap），中文叫比较交换，是一种无锁原子算法，映射到操作系统就是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，在intel的CPU中，使用的是cmpxchg指令，就是说CAS是靠硬件实现的，从而在硬件层面提升效率。
执行过程是这样：它包含 3 个参数 CAS（V，E，N），V表示要更新变量的值，E表示预期值，N表示新值。仅当 V值等于E值时，才会将V的值设为N，如果V值和E值不同，则说明已经有其他线程完成更新，则当前线程则什么都不做，最后CAS 返回当前V的真实值。
当多个线程同时使用CAS 操作一个变量时，最多只有一个会胜出，并成功更新，其余均会失败。失败的线程不会挂起，仅是被告知失败，并且允许再次尝试（自旋），当然也允许实现的线程放弃操作。基于这样的原理，CAS 操作即使没有锁，也可以避免其他线程对当前线程的干扰。

AtomicObject实现

Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门：Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。
package org.example;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.function.UnaryOperator;

public class AtomicObject<V> implements java.io.Serializable {
    private static final long serialVersionUID = 4654671469794556979L;
    private static final Unsafe unsafe;

    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            //获取属性
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (AtomicObject.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) {
            throw new Error(ex);
        }
    }

    private volatile V value;


    public AtomicObject(V v){
        this.value = v;
    }


    public final V get() {
        return value;
    }

      /**
     * 比较当前对象的引用值是否等于预期值，如果相等，则将对象的引用值设置为新值，并返回true，
     * 否则不做任何操作，并返回 false
     * 将对象进行偏移量，和预期值进行比较
     * @param expect 预期值
     * @param update 更新值
     * @return boolean
     */
    public final boolean compareAndSet(V expect, V update) {
        return unsafe.compareAndSwapObject(this, valueOffset, expect, update);
    }
    
    
    /**
     * 如果当前值不是预期值，则自旋，直到当前值是预期值，并返回当前值
     * @param updateFunction 更新的方法
     * @return v 当前值
     */
    public final V getAndUpdate(UnaryOperator<V> updateFunction) {
        V prev, next;
        do {
            prev = get();
            next = updateFunction.apply(prev);
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }


    public final V getAndUpdate(V next) {
        V prev;
        do {
            prev = get();
        } while (!compareAndSet(prev, next));
        return prev;
    }


    public long getValueOffset(){
        return valueOffset;
    }

}
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其中，expect参数是预期的对象引用值，update参数是要更新的新对象引用值。
compareAndSwapObject方法的实现使用了CPU的原子操作指令，可以保证在多线程环境下的线程安全性。它通常用于实现一些需要线程安全的对象引用更新操作，例如单例模式的实现、缓存的更新等。
需要注意的是，compareAndSwapObject方法只能保证对象引用的线程安全性，如果对象本身不是线程安全的，则需要使用其他的同步机制来保证对象的线程安全性

代码体现：
首先检查当前对象是否持有预期值，如果持有则，更新x为新值

简单的说，CAS 需要你额外给出一个期望值，也就是你认为这个变量现在应该是什么样子的。如果变量不是你想象的那样，说明它已经被别人修改过了。你就需要重新读取，再次尝试修改就好了。

// Unsafe.h
virtual jboolean compareAndSwapObject(::java::lang::Object *, jlong, ::java::lang::Object *, ::java::lang::Object *);

// natUnsafe.cc
static inline bool
compareAndSwap (volatile jobject *addr, jobject old, jobject new_val)
{
    jboolean result = false;
    spinlock lock;
  
          // 如果字段的地址与期望的地址相等则将字段的地址更新
        if ((result = (*addr == old)))
            *addr = new_val;
        return result;
}

// natUnsafe.cc
jboolean sun::misc::Unsafe::compareAndSwapObject (jobject obj, jlong offset,
                     jobject expect, jobject update)
{
        // 获取字段地址并转换为字符串
    jobject *addr = (jobject*)((char *) obj + offset);
        // 调用 compareAndSwap 方法进行比较
    return compareAndSwap (addr, expect, update);
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CAS缺点
CAS虽然高效地解决了原子操作，但是还是存在一些缺陷的，主要表现在三个方面：
1.自旋时间太长
2.只能保证一个共享变量原子操作
3.ABA问题，不能保证线程的顺序问题

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