线程安全之原子操作
- 2019 年 10 月 7 日
- 筆記
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
