線程安全之原子操作
- 2019 年 10 月 7 日
- 筆記
線程安全之原子操作
原子操作
原子性就是指該操作是不可再分的。不論是多核還是單核，具有原子性的量，同一時刻只能有一個線程來對它進行操作。 原子操作可以是一個步驟，也可以是多個步驟，但是其順序不可以被打亂，也不可以被切割而只執行其中的一部分（不可中斷性）。 將操作視作一個整體，資源在該次操作中保持一致，這是原子性的核心特徵。 首先我們來看一個非原子操作的示例：
public class Counter { volatile int i = 0; public void increament() { i++; } }
測試代碼：
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); } }
正確情況下以上測試代碼我們啟動了6個線程每個增加10000，結果輸出應該是60000，但實際結果卻是小於60000的，其原因就在於i++並不是原子的操作，通過反編譯我們可以知道它實際上在JVM運行時是4個指令。
那麼如何才能讓以上代碼正確運行那？
- 通過加鎖的形式，可以是
synchronized加鎖，也可以是ReentrantLock加鎖. 這種方式是通過加鎖的方式使其變成串行的單線程操作，效果不是太高。 syncchronized加鎖代碼示例：public class Counter { volatile int i = 0; public synchronized void increament() { i++; } }ReentrantLock加鎖代碼示例：public class Counter { volatile int i = 0; Lock lock = new ReentrantLock(); public void increament() { lock.lock(); i++; lock.unlock(); } } - 通過JDK提供的原子操作的API中的
AtomicInteger，這種方式其底層是通過CAS操作，仍是使用多線程進行，所以效率會相對較高。 AtomicInteger代碼示例:public class Counter { AtomicInteger i= new AtomicInteger(); public void increament() { i.incrementAndGet(); } }CAS（Compare and swap） Compare and swap 比較和交換，屬於硬件同步原語，處理器提供了基本內存操作的原子性保證。 CAS 操作包含三個操作數—內存位置(V),預期原值(A)和新值(B)。 如果內存位置的值與預期原值相匹配，那麼處理器會自動將該位置值交換成新值，如果不匹配，即內存位置的值了變化則不做交換。 Java中的sun.misc.Unsafe類提供了compareAndSwapInt和compareAndSwapLong等幾個方法實現CAS, 其代碼示例如下：// 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(); 該方式並不可用 try { Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); field.setAccessible(true); unsafe = (Unsafe) field.get(null); Field fieldi = CounterUnsafe.class.getDeclaredField("i"); // 獲取字段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); // 如果成功則返回true，跳出循環，如果失敗返回false, 將進行自旋（就是for循環） if (unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, current, current + 1)) break; } } }JDK提供的原子操作類簡介：
CAS的三大問題
- 循環+CAS，自旋的實現讓所有線程都處於高頻運行，爭搶CPU執行時間的狀態。如果操作長時間不成功，會帶來很大的CPU資源消耗
- 僅針對單個變量的操作，不能用於多個變量來實現原子操作
- ABA問題ABA問題
