Java線程安全中的原子性淺析

更新時間：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，該線程不可中斷。一旦出現(xiàn)中斷，那么就可能會導致程序執(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，該線程不可中斷。一旦出現(xiàn)中斷，那么就可能會導致程序執(zhí)行前后的結(jié)果不一致。與數(shù)據(jù)庫中的原子性（事務管理體現(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這個轉(zhuǎn)賬行為就包含了兩個操作：分別是1. 甲的賬戶-500 2. 乙的賬戶 +500但如果此時不能保證原子性操作就可能會出現(xiàn)甲的賬戶減了500但是乙的賬戶沒有加500的情況

首先我們先來區(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）一個操作，就是將值“1” 賦給變量a

（2）兩個操作，首先獲取a的值，然后將a的值賦給b

（3）四個操作，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不可分割的操作。

下面我們來看線程安全的原子性示例：

測試代碼：

public class Demo{
    public static void main(String[] args) {
        Temp task = new Temp();
        // 啟動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：將count
        for (int i = 1; i <= 100; i++) {
            count++;
            System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"::count====>>"+count);
        }
    }
}

上述代碼實現(xiàn)將Count從0加到10000，每一條線程控制count加100，100條線程啟動執(zhí)行實現(xiàn)。但是在執(zhí)行過程中會發(fā)現(xiàn)會出現(xiàn)幾次無法達到10000的結(jié)果，產(chǎn)生的原因就是假設當某一條線程在執(zhí)行count累加時執(zhí)行到了count=97時（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進行累加，這樣就導致最后結(jié)果不準確這個時候線程就不是安全的，也就是說我們這段程序是不具備原子性的。

但是有時效果不是很明顯，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)上的解決機理就是保證線程任務同時只能被一條線程執(zhí)行，在執(zhí)行完畢之前其他線程無法拿到執(zhí)行權(quán)。由此來保證線程的原子性

從時間維度上來講，某一時刻只允許一條線程執(zhí)行線程任務，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，為什么說是悲觀？因為程序在加鎖之初就默認每一次線程操作共享資源時都會被其他線程干擾。即在不進行同步干預的情況下，程序默認每次線程操作共享資源都會存在其他線程的競爭繼而導致程序執(zhí)行出現(xiàn)問題。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發(fā)者使用，下面以AtomicInteger為例來說它的方法使用，多數(shù)原子類的方法都有些類似

// 導包
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

AtomicInteger整型原子類

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

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

CAS機制(Compare And Swap)

什么是CAS？

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

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

即每一次線程操作共享資源都會執(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，需要與當前存儲的值進行比較就是進行一個新值與原值沖突檢測，比較完之后如果發(fā)現(xiàn)最新結(jié)果與當前值一致則說明執(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