Java 中的原子操作

原子操作出現的先決條件

讓我們看一下這個示例，以幫助您了解原子操作的工作原理：

public class Counter {
    int count;

    public void increment() {
        count++;
    }
}

當我們有一個線程時，一切都很好，但是如果我們添加多線程，我們會得到錯誤的結果，這都是因為增量操作不是一個操作，而是三個：獲取當前值的請求數數，然後將其遞增 1 並再次寫入數數.

當兩個線程想要增加一個變量時，您很可能會丟失數據。也就是說，兩個線程都收到 100，因此，兩者都將寫入 101 而不是預期值 102。

以及如何解決？你需要使用鎖。synchronized關鍵字有助於解決這個問題，使用它可以保證一個線程一次訪問該方法。

public class SynchronizedCounterWithLock {
    private volatile int count;

    public synchronized void increment() {
        count++;
    }
}

另外，您需要添加volatile關鍵字，以確保線程間引用的正確可見性。我們在上面回顧了他的工作。

但仍有缺點。最大的一個是性能，在那個時間點，當許多線程試圖獲取鎖並且一個獲得寫機會時，其餘線程將被阻塞或掛起，直到線程被釋放。

所有這些進程、阻塞、切換到另一個狀態對於系統性能來說都是非常昂貴的。

原子操作

該算法使用低級機器指令，例如比較和交換（CAS，compare-and-swap，確保數據完整性並且已經有大量研究）。

典型的 CAS 操作對三個操作數進行操作：

• 工作內存空間（M）
• 變量的現有預期值 (A)
• 要設置的新值 (B)

CAS 以原子方式將 M 更新為 B，但前提是 M 的值與 A 相同，否則不採取任何操作。

在第一種和第二種情況下，都會返回M的值，這樣可以將獲取值、比較值、更新值三個步驟結合起來。這一切都變成了機器級別的一次操作。

當多線程應用程序訪問變量並嘗試更新它並應用 CAS 時，其中一個線程將獲取它並能夠更新它。但與鎖不同的是，其他線程只會收到無法更新值的錯誤。然後他們將繼續進行進一步的工作，而這種工作完全排除了轉換。

在這種情況下，邏輯變得更加困難，因為我們必須處理 CAS 操作未成功運行的情況。我們將只對代碼建模，以便在操作成功之前它不會繼續。

原子類型簡介

您是否遇到過需要為最簡單的int類型變量設置同步的情況？

我們已經介紹過的第一種方法是使用volatile + synchronized。但也有特殊的 Atomic* 類。

如果我們使用 CAS，那麼與第一種方法相比，操作工作得更快。此外，我們還有特殊且非常方便的方法來添加值以及遞增和遞減操作。

AtomicBoolean、 AtomicInteger、 AtomicLong、 AtomicIntegerArray、 AtomicLongArray是其中操作是原子的類。下面我們將與他們一起分析工作。

原子整數

AtomicInteger類除了提供擴展的原子操作外，還提供對可以原子方式讀取和寫入的int值的操作。

它具有get和set方法，其工作方式類似於讀取和寫入變量。

也就是說，“先於發生”與我們之前討論過的相同變量的任何後續接收。原子compareAndSet方法也具有這些內存一致性功能。

所有返回新值的操作都是原子執行的：

例子：

ExecutorService executor = Executors.newFixedThreadPool(5);
IntStream.range(0, 50).forEach(i -> executor.submit(atomicInteger::incrementAndGet));
executor.shutdown();
executor.awaitTermination(Long.MAX_VALUE, TimeUnit.HOURS);

System.out.println(atomicInteger.get()); // prints 50