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Java線程安全中的原子性淺析

更新時(shí)間：2023年02月21日 10:27:39 作者：綠仔牛奶_

這篇文章主要介紹了Java線程安全中的原子性，原子性是指一條線程在執(zhí)行一系列程序指令操作時(shí)，該線程不可中斷。一旦出現(xiàn)中斷，那么就可能會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行前后的結(jié)果不一致

何為原子性

原子性：一條線程在執(zhí)行一系列程序指令操作時(shí)，該線程不可中斷。一旦出現(xiàn)中斷，那么就可能會(huì)導(dǎo)致程序執(zhí)行前后的結(jié)果不一致。與數(shù)據(jù)庫(kù)中的原子性（事務(wù)管理體現(xiàn)）是相同的

概括：一段程序只能由一條線程去完整的執(zhí)行，不能被多個(gè)線程干擾執(zhí)行

以最經(jīng)典的轉(zhuǎn)賬為例，甲向乙的賬戶轉(zhuǎn)賬500這個(gè)轉(zhuǎn)賬行為就包含了兩個(gè)操作：分別是1. 甲的賬戶-500 2. 乙的賬戶 +500但如果此時(shí)不能保證原子性操作就可能會(huì)出現(xiàn)甲的賬戶減了500但是乙的賬戶沒(méi)有加500的情況

首先我們先來(lái)區(qū)分哪些是原子操作哪些非原子操作：

int a = 1; // (1)
int b = a; // (2) 
a += b;    // (3)

（1）一個(gè)操作，就是將值“1” 賦給變量a

（2）兩個(gè)操作，首先獲取a的值，然后將a的值賦給b

（3）四個(gè)操作，首先獲取b的值，再獲取a的值，再將a與b的值相加，再將相加后的值賦給a

所以只有（1）和（3）屬于原子操作，（2）不構(gòu)成原子操作

上述舉例，我們清楚了原子操作就是一個(gè)不可分割的操作。

下面我們來(lái)看線程安全的原子性示例：

測(cè)試代碼：

public class Demo{
    public static void main(String[] args) {
        Temp task = new Temp();
        // 啟動(dòng)100條線程
        for (int i = 1; i <= 100 ; i++) {
            new Thread(task).start();
        }
    }
}
class Temp implements Runnable{
    private int count = 0;
    @Override
    public void run() {
        // 線程任務(wù)：將count
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"::count====>>"+count);
        }
    }
}

上述代碼實(shí)現(xiàn)將Count從0加到10000，每一條線程控制count加100，100條線程啟動(dòng)執(zhí)行實(shí)現(xiàn)。但是在執(zhí)行過(guò)程中會(huì)發(fā)現(xiàn)會(huì)出現(xiàn)幾次無(wú)法達(dá)到10000的結(jié)果，產(chǎn)生的原因就是假設(shè)當(dāng)某一條線程在執(zhí)行count累加時(shí)執(zhí)行到了count=97時(shí)（也就是該線程執(zhí)行失敗，并且提交了執(zhí)行失敗的結(jié)果）cpu被其他線程拿到，那么其他線程繼續(xù)拿到count=97進(jìn)行累加，這樣就導(dǎo)致最后結(jié)果不準(zhǔn)確這個(gè)時(shí)候線程就不是安全的，也就是說(shuō)我們這段程序是不具備原子性的。

但是有時(shí)效果不是很明顯，建議可以將線程數(shù)增加到500條;

那么原子性的問(wèn)題如何解決呢？

解決方法

加鎖–> 悲觀鎖（阻塞同步）

利用synchronized修飾的同步方法、同步代碼塊啥的，隨便你怎么上鎖都可以，本質(zhì)上的解決機(jī)理就是保證線程任務(wù)同時(shí)只能被一條線程執(zhí)行，在執(zhí)行完畢之前其他線程無(wú)法拿到執(zhí)行權(quán)。由此來(lái)保證線程的原子性

從時(shí)間維度上來(lái)講，某一時(shí)刻只允許一條線程執(zhí)行線程任務(wù)，其他線程就處于阻塞狀態(tài)，這種利用阻塞其他線程的方式就稱為阻塞同步也叫做互斥同步。大大降低了執(zhí)行效率和性能

這種解決方式采用了悲觀的并發(fā)策略，synchronized也被稱為悲觀鎖，為什么說(shuō)是悲觀？因?yàn)槌绦蛟诩渔i之初就默認(rèn)每一次線程操作共享資源時(shí)都會(huì)被其他線程干擾。即在不進(jìn)行同步干預(yù)的情況下，程序默認(rèn)每次線程操作共享資源都會(huì)存在其他線程的競(jìng)爭(zhēng)繼而導(dǎo)致程序執(zhí)行出現(xiàn)問(wèn)題。阻塞同步也就是做出了最壞的打算，故稱為悲觀鎖

使用原子類( Atomic )–> 樂(lè)觀鎖（非阻塞同步）

為什么還要使用原子類？

because 利用synchronized加鎖去解決原子性問(wèn)題，性能太低了。如果我們的程序線程數(shù)量太大，那每次線程任務(wù)只能被單條線程執(zhí)行，效率太低了

原子類是性能高效、線程安全。并且Java提供了比較全面的原子類供開(kāi)發(fā)者使用，下面以AtomicInteger為例來(lái)說(shuō)它的方法使用，多數(shù)原子類的方法都有些類似

// 導(dǎo)包
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

AtomicInteger整型原子類

// 常用方法
public final int set(int newValue) //為當(dāng)前對(duì)象賦值
public final int get() //獲取當(dāng)前值
public final int getAndSet(int newValue)//獲取當(dāng)前值然后重新賦值
public final int getAndIncrement()//先獲取當(dāng)前值然后自增
public final int getAndDecrement() //先獲取當(dāng)前值然后自減
public final int getAndAdd(int delta) //獲取當(dāng)前值然后加上delta
boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果當(dāng)前值等于預(yù)期值，則以原子方式將該值設(shè)置為輸入值（update）

除了整型原子類之外還有如長(zhǎng)整型原子類AtomicLong、布爾原子類AtomicBoolean、整型數(shù)組AtomicIntegerArray、長(zhǎng)整型數(shù)組AtomicLongArray、引用數(shù)據(jù)類型數(shù)組AtomicReferenceArray等

CAS機(jī)制(Compare And Swap)

什么是CAS？

CAS( Compare And Swap )意為比較并交換，CAS的實(shí)現(xiàn)機(jī)制就是利用了非阻塞同步。

采用樂(lè)觀的并發(fā)策略，當(dāng)程序運(yùn)行中，我們不再利用阻塞其他線程來(lái)保證當(dāng)前線程正確執(zhí)行的方式，而是作出最優(yōu)情況的解決方案，故而也被稱為樂(lè)觀鎖。

即每一次線程操作共享資源都會(huì)執(zhí)行成功并提交正確的結(jié)果，但是在將最新的結(jié)果提交時(shí)，需要與當(dāng)前存儲(chǔ)的值進(jìn)行比較就是進(jìn)行一個(gè)新值與原值沖突檢測(cè)，比較完之后如果發(fā)現(xiàn)最新結(jié)果與當(dāng)前值一致則說(shuō)明執(zhí)行失敗，反之則是執(zhí)行成功然后替換到原值即可

我們依然用上述操作count作為示例，如下圖所示