CAS原理的秘密：硬件支持（九）

文章导读：并发编程理论篇
（一）可见性，原子性，有序性的源头
（二）Java 如何解决可见性、有序性和原子性问题
（三）为什么存在等待 - 通知机制
（四）宏观角度看并发
（五）管程：并发编程的万能钥匙
（六）Java 为什么再造管程
（七）Semaphore信号量简单介绍
（八）介绍两个同步工具类

前面我们多次提到一个累加器的例子，示例代码如下。在这个例子中，add10K() 这个方法不是线程安全的，问题就出在变量 count 的可见性和 count+=1 的原子性上。可见性问题可以用 volatile 来解决，而原子性问题我们前面一直都是采用的互斥锁方案。

public class Test {
  long count = 0;
  void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count += 1;
    }
  }
}

其实对于简单的原子性问题，还有一种无锁方案。Java SDK 并发包将这种无锁方案封装提炼之后，实现了一系列的原子类。比如AtomicLong，AtomicInteger，AtomicXXX…

原子类的使用还是挺简单的，优化如下：

public class Test {
  AtomicLong count = 
    new AtomicLong(0);
  void add10K() {
    int idx = 0;
    while(idx++ < 10000) {
      count.getAndIncrement();
    }
  }
}

无锁方案相对互斥锁方案，最大的好处就是性能。互斥锁方案为了保证互斥性，需要执行加锁、解锁操作，而加锁、解锁操作本身就消耗性能；同时拿不到锁的线程还会进入阻塞状态，进而触发线程切换，线程切换对性能的消耗也很大。 相比之下，无锁方案则完全没有加锁、解锁的性能消耗，同时还能保证互斥性，既解决了问题，又没有带来新的问题，可谓绝佳方案。那它是如何做到的呢？

其实原子类性能高的秘密很简单，硬件支持而已。CPU 的 CAS 指令本身是能够保证原子性的。

原子类的原理是，通过自旋，只有当目前的值和期望值相等时，才会更新内存的值。

但是，在CAS方案中，存在ABA问题。这个问题可以通过版本号表示来解决。Java 也提供了相关的类，AtomicStampedReference 和 AtomicMarkableReference 这两个原子类可以解决 ABA 问题。

Java 提供的原子类能够解决一些简单的原子性问题，但你可能会发现，上面我们所有原子类的方法都是针对一个共享变量的，如果你需要解决多个变量的原子性问题，建议还是使用互斥锁方案。

另外，CAS还有一个缺点，前面说到他的原理是通过自旋。自旋这个操作就是循环无限，直到CAS成功。所以这个自旋操作非常消耗CPU。可能会造成CPU飙升100%的情况，其他线程甚至抢不到CPU资源。所以原子类适合读多写少的场景。

线程池相关的就不介绍了，我之前写了一遍关于线程池以及CompletableFuture源码的文章，有兴趣的可以去看下。

很多时候，我们在线程池提交任务需要获取返回结果，又或者，没有返回结果，我需要知道它是否运行完成，那 ThreadPoolExecutor 是否提供了相关功能呢？

Java 通过 ThreadPoolExecutor 提供的 3 个 submit() 方法和 1 个 FutureTask 工具类来支持获得任务执行结果的需求。下面我们先来介绍这 3 个 submit() 方法，这 3 个方法的方法签名如下。

// 提交Runnable任务
// 方法返回的 Future 仅可以用来断言任务已经结束了
Future submit(Runnable task);
// 提交Callable任务
// 通过调用其 get() 方法来获取任务的执行结果
 Future submit(Callable task);
// 提交Runnable任务及结果引用  
// 不常用
 Future submit(Runnable task, T result);

怎么理解Future呢？直译过来就是“未来‘。比如 Future submit(Callable task) 方法，返回一个Future对象，这对象可以实时了解执行这个task的结果。又或者说，线程执行完了，会把结果赋值到返回的这个Future对象中。

实际上，这个Futrue对象主要有5个方法

// 取消任务
boolean cancel(
  boolean mayInterruptIfRunning);
// 判断任务是否已取消  
boolean isCancelled();
// 判断任务是否已结束
boolean isDone();
// 获得任务执行结果
get();
// 获得任务执行结果，支持超时
get(long timeout, TimeUnit unit);

除了通过线程池返回的Future对象可以获取返回结果，FutureTask也可以。

FutureTask 是一个实实在在的工具类，这个工具类有两个构造函数，它们的参数和前面介绍的 submit() 方法类似，所以这里我就不再赘述了。

FutureTask(Callable callable);
FutureTask(Runnable runnable, V result);

那如何使用 FutureTask 呢？其实很简单，FutureTask 实现了 Runnable 和 Future 接口，由于实现了 Runnable 接口，所以可以将 FutureTask 对象作为任务提交给 ThreadPoolExecutor 去执行，也可以直接被 Thread 执行；又因为实现了 Future 接口，所以也能用来获得任务的执行结果。下面的示例代码是将 FutureTask 对象提交给 ThreadPoolExecutor 去执行。

// 创建FutureTask
FutureTask futureTask
  = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建线程池
ExecutorService es = 
  Executors.newCachedThreadPool();
// 提交FutureTask 
es.submit(futureTask);
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();

FutureTask 对象直接被 Thread 执行的示例代码如下所示。相信你已经发现了，利用 FutureTask 对象可以很容易获取子线程的执行结果。

// 创建FutureTask
FutureTask futureTask
  = new FutureTask<>(()-> 1+2);
// 创建并启动线程
Thread T1 = new Thread(futureTask);
T1.start();
// 获取计算结果
Integer result = futureTask.get();