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？

1. 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();
  }
}

1. 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

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