当 set 在 Java 中已经是原子的时，为什么我们需要 compareAndSet？

Question

因为原子意味着线程安全。当 .set() 本身在 java 中是原子和线程安全的时候，我们什么时候使用 compareAndSet？

例如，我想以原子方式设置一个变量，以便每个其他线程都可以看到它（但我希望以线程安全的方式设置该变量）我可以简单地将其声明为 volatile AtomicBoolean 或 volatile AtomicInteger 并且应该好吗？在哪些情况下我需要使用 compareAndSet？

Answer 1

多线程环境中有两个重要的概念。

1. 原子性
2. 可见性

Volatile 解决了可见性问题，但它不处理原子性，例如我++。这里 i++ 不是一条机器指令，而是三条机器指令。

1. 将值复制到寄存器
2. 增加它
3. 放回原处

AtomicInteger、AtomicReference 基于比较和交换指令。 CAS 具有三个操作数，即要对其进行操作的内存位置 V、预期的旧值 A 和新值 B。CAS 原子地将 V 更新为新值 B，但前提是 V 中的值与预期的旧值 A 匹配；否则它什么也不做。在任何一种情况下，它都会返回当前在 V 中的值。JVM 在AtomicInteger、AtomicReference 中使用该函数，如果底层处理器不支持此功能，则 JVM 将通过自旋锁实现它。 .

Set 是原子的（并不总是正确的），但是比较然后 set 不是原子的。因此，当您对此 有要求时，例如当值为 X 时，只需更改为 Y，因此要以原子方式执行此操作，您需要这种原语，您可以使用 AtomicInteger、AtomicReference 的 compareAndSet，例如atomicLong.compareAndSet(long expect, long update)

您实际上可以使用这些原语来开发强大的数据结构，例如并发堆栈。

import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;

public class MyConcurrentStack<T> {

    private AtomicReference<Node> head = new AtomicReference<Node>();

    public MyConcurrentStack() {
    }

    public void push(T t) {
        if (t == null) {
            return;
        }
        Node<T> n = new Node<T>(t);
        Node<T> current;

        do {
            current = head.get();
            n.setNext(current);
        } while (!head.compareAndSet(current, n));
    }

    public T pop() {
        Node<T> currentHead = null;
        Node<T> futureHead = null;
        do {
            currentHead = head.get();
            if (currentHead == null) {
                return null;
            }
            futureHead = currentHead.next;
        } while (!head.compareAndSet(currentHead, futureHead));

        return currentHead.data;
    }

    /**
     *
     * @return null if no element present else return a element. it does not
     * remove the element from the stack.
     */
    public T peek() {
        Node<T> n = head.get();
        if (n == null) {
            return null;
        } else {
            return n.data;
        }
    }

    public boolean isEmpty() {
        if (head.get() == null) {
            return true;
        }
        return false;
    }

    private static class Node<T> {

        private final T data;
        private Node<T> next;

        private Node(T data) {
            this.data = data;
        }

        private void setNext(Node next) {
            this.next = next;
        }
    }
}

Answer 2

一个简单的写操作本质上是原子的（在大多数情况下）。 set() 没有什么特别之处。如果您查看source code 中的AtomicInteger.set()，您会看到：

public final void set(int newValue) {
    value = newValue;
}

原子类的神奇之处在于它们可以原子地读取和修改。在多线程环境中，如果您尝试使用简单的if 实现比较和设置逻辑，您可能会读取一个值，运行一些计算并尝试更新变量。但是在您的读取和写入操作之间，该值可能已被另一个线程更新，从而使您的计算无效。原子类确保在您的读取和写入之间没有任何内容。因此compareAndSet() 方法，以及getAndSet()、getAndIncrement() 等。

Answer 3

当您需要更新 AtomicReference 中已经存在的一些数据，然后将其放回此引用时，您可以使用compareAndSet。

例如：您需要从多个线程中增加一个值（或以任何其他方式更新它）。

Number n = new Integer(10);
AtomicReference ref = new AtimicReference(n);

// later...
int i = ref.get().intValue(); // i == 10

// some other thread incrments the value in ref and now it is 11

ref.set(new Integer(i + 1));

// Oops! Now ref contains 11, but should be 12.

但是使用compareAndSet，我们可以原子地增加它。

Number n = new Integer(10);
AtomicReference ref = new AtimicReference(n);

// later...

boolean success = false;
do {
    Integer old = ref.get(); // old == 10 on first pass, 11 on second pass
    // On first pass some other thread incrments the value in ref and now it is 11
    Integer updated = new Integer(old + 1);
    success = ref.compareAndSet(old, updated);
    // On first pass success will be false and value in ref will not update
} while (!success);

// Now ref contains 12 if other thread increments it to 11 between get and set.

Answer 4

compareAndSet 是non-blocking algorithms 的基本原语。

例如，仅使用atomic read/write 来实现wait-free 算法基本上是不可能的——必须有compareAndSet 或类似的东西。

compareAndSet 比atomic read/write 强大得多。
功率用consensus number表示：

• compareAndSet 的共识数为无穷大
• atomic read/write 的共识编号为 1

共识数是并发对象可以解决consensus problem（线程提出它们的候选值并就单个共识值达成一致）在wait-free中的最大线程数（即没有阻塞，每个线程都有保证完成不超过一些固定的最大步骤数）实施。
事实证明，共识数为n的对象可以实现任何共识数为n或更低的对象，但不能实现任何共识数更高的对象。

更多解释可以在 M. Herlihy 和 N. Shavit 的“多处理器编程艺术”中找到。

Answer 5

Set 是原子的，用于设置新值。 compareAndSet 比较旧值，如果等于当前值，则设置新值。如果我们使用set 而不是compareAndSet：

if(atomic.get().equals(12)) {
    atomic.set(13);
}

这不是线程安全的，因为它会导致竞争条件。执行结果取决于线程的时间和顺序。例如，当 thread1 获取值时，thread2 可以更改它。 check-and-act、read-modify-write 等复合操作必须以原子方式执行。