Java 中的原子操作

原子操作出现的先决条件

让我们看一下这个示例，以帮助您了解原子操作的工作原理：

public class Counter {
    int count;

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

当我们有一个线程时，一切都很好，但是如果我们添加多线程，我们会得到错误的结果，这都是因为增量操作不是一个操作，而是三个：获取当前值的请求数数，然后将其递增 1 并再次写入数数.

当两个线程想要增加一个变量时，您很可能会丢失数据。也就是说，两个线程都收到 100，因此，两者都将写入 101 而不是预期值 102。

以及如何解决？你需要使用锁。synchronized关键字有助于解决这个问题，使用它可以保证一个线程一次访问该方法。

public class SynchronizedCounterWithLock {
    private volatile int count;

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

另外，您需要添加volatile关键字，以确保线程间引用的正确可见性。我们在上面回顾了他的工作。

但仍有缺点。最大的一个是性能，在那个时间点，当许多线程试图获取锁并且一个获得写机会时，其余线程将被阻塞或挂起，直到线程被释放。

所有这些进程、阻塞、切换到另一个状态对于系统性能来说都是非常昂贵的。

原子操作

该算法使用低级机器指令，例如比较和交换（CAS，compare-and-swap，确保数据完整性并且已经有大量研究）。

典型的 CAS 操作对三个操作数进行操作：

• 工作内存空间（M）
• 变量的现有预期值 (A)
• 要设置的新值 (B)

CAS 以原子方式将 M 更新为 B，但前提是 M 的值与 A 相同，否则不采取任何操作。

在第一种和第二种情况下，都会返回M的值，这样可以将获取值、比较值、更新值三个步骤结合起来。这一切都变成了机器级别的一次操作。

当多线程应用程序访问变量并尝试更新它并应用 CAS 时，其中一个线程将获取它并能够更新它。但与锁不同的是，其他线程只会收到无法更新值的错误。然后他们将继续进行进一步的工作，而这种工作完全排除了转换。

在这种情况下，逻辑变得更加困难，因为我们必须处理 CAS 操作未成功运行的情况。我们将只对代码建模，以便在操作成功之前它不会继续。

原子类型介绍

您是否遇到过需要为最简单的int类型变量设置同步的情况？

我们已经介绍过的第一种方法是使用volatile + synchronized。但也有特殊的 Atomic* 类。

如果我们使用 CAS，那么与第一种方法相比，操作工作得更快。此外，我们还有特殊且非常方便的方法来添加值以及递增和递减操作。

AtomicBoolean、 AtomicInteger、 AtomicLong、 AtomicIntegerArray、 AtomicLongArray是其中操作是原子的类。下面我们就和他们一起分析一下工作。

原子整数

AtomicInteger类除了提供扩展的原子操作外，还提供对可以原子方式读取和写入的int值的操作。

它具有get和set方法，其工作方式类似于读取和写入变量。

也就是说，“先于发生”与我们之前讨论过的相同变量的任何后续接收。原子compareAndSet方法也具有这些内存一致性功能。

所有返回新值的操作都是原子执行的：

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