线程安全之原子操作
原子操作
原子性就是指该操作是不可再分的。不论是多核还是单核，具有原子性的量，同一时刻只能有一个线程来对它进行操作。
原子操作可以是一个步骤，也可以是多个步骤，但是其顺序不可以被打乱，也不可以被切割而只执行其中的一部分（不可中断性）。
将操作视作一个整体，资源在该次操作中保持一致，这是原子性的核心特征。
首先我们来看一个非原子操作的示例：
public class Counter {
volatile int i = 0;
public void increament() {
i++;
}
}
测试代码：
public class CouterTest {
public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
final Counter counter = new Counter();
for (int i = 0; i < 6; i++) {
new Thread(
new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int j = 0; j < 10000; j++) {
counter.increament();
}
System.out.println("done...");
}
})
.start();
}
Thread.sleep(6000L);
System.out.println(counter.i);
}
}
正确情况下以上测试代码我们启动了6个线程每个增加10000，结果输出应该是60000，但实际结果却是小于60000的，其原因就在于i++并不是原子的操作，通过反编译我们可以知道它实际上在JVM运行时是4个指令。
那么如何才能让以上代码正确运行那？
- 通过加锁的形式，可以是
synchronized加锁，也可以是ReentrantLock加锁. 这种方式是通过加锁的方式使其变成串行的单线程操作，效果不是太高。
syncchronized 加锁代码示例：
public class Counter {
volatile int i = 0;
public synchronized void increament() {
i++;
}
}
ReentrantLock加锁代码示例:
public class Counter {
volatile int i = 0;
Lock lock = new ReentrantLock();
public void increament() {
lock.lock();
i++;
lock.unlock();
}
}
- 通过JDK提供的原子操作的API中的
AtomicInteger，这种方式其底层是通过CAS操作，仍是使用多线程进行，所以效率会相对较高。
AtomicInteger代码示例:
public class Counter {
AtomicInteger i= new AtomicInteger();
public void increament() {
i.incrementAndGet();
}
}
CAS（Compare and swap）
Compare and swap 比较和交换，属于硬件同步原语，处理器提供了基本内存操作的原子性保证。
CAS 操作包含三个操作数—内存位置(V),预期原值(A)和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值交换成新值，如果不匹配，即内存位置的值了变化则不做交换。
Java中的sun.misc.Unsafe类提供了compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等几个方法实现CAS, 其代码示例如下：
// JDK提供的原子操作API其原理基本如此
public class CounterUnsafe {
volatile int i = 0;
private static Unsafe unsafe = null;
// i字段地址偏移量
private static long valueOffset;
static {
// unsafe = Unsafe.getUnsafe(); 该方式并不可用
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) field.get(null);
Field fieldi = CounterUnsafe.class.getDeclaredField("i");
// 获取字段i的地址偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(fieldi);
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void increament() {
for (; ; ) {
int current = unsafe.getIntVolatile(this, valueOffset);
// 如果成功则返回true，跳出循环，如果失败返回false, 将进行自旋（就是for循环）
if (unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, current, current + 1)) break;
}
}
}
JDK提供的原子操作类简介：
CAS的三大问题
- 循环+CAS，自旋的实现让所有线程都处于高频运行，争抢CPU执行时间的状态。如果操作长时间不成功，会带来很大的CPU资源消耗
- 仅针对单个变量的操作，不能用于多个变量来实现原子操作
- ABA问题
ABA问题
