Java中的原子性与并发编程总结

问题起源

来自知乎的一个问题引起了我的关注，问题地址是：https://www.zhihu.com/question/42779759

在java doc 中 https://docs.oracle.com/javase/tutorial/essential/concurrency/atomic.html
However, this does not eliminate all need to synchronize atomic actions, because memory consistency errors are still possible.
求教各位大神，这个在java中怎么发生这个错误？

我认为该问题的实质是，java中的原子性操作并不能满足多线程访问共享变量的需求，因此还是要使用synchronize等并发手段来进行多线程间的共享变量访问。

原子性和可见性

首先给出两个定义：原子性和可见性。
原子性：In programming, an atomic action is one that effectively happens all at once. An atomic action cannot stop in the middle: it either happens completely, or it doesn’t happen at all. No side effects of an atomic action are visible until the action is complete.简单的说，原子性的操作就是不可被中断的操作，这个操作要么还未开始，要么全部完成。
可见性：可见性是指，一个线程对变量的修改，另一个线程能够立即看到。

原子性操作的分类

Java中的原子性操作，我将其总结为四类：

1. 原始类型：除long和double意外的原始类型的简单读取、写入操作；所谓简单写入，是指i=1这种赋值操作，而i++不是简单写入；
2. volatile：使用volatile修饰的变量的简单读取、写入操作；同样的，volatile int i的i++操作不是简单写入；
   3.原子类： java.util.concurrent.atomic包中各种原子类（例如AtomicInteger、AtomicBoolean）的读取、写入操作，注意incrementAndGet这种自增操作具有原子性；
3. 并发锁：使用synchronize或者Lock进行限定的并发锁，其中的代码都具有原子性。

分析

我对这四种类型就原子性、可见性和性能进行了分析，给出如下表格：（我将i++定义为“自增操作”）

类型	原子性	简单读写的原子性和可见性	自增操作的原子性和可见性	复杂代码的原子性和可见性	性能
原始类型	Y	N(无可见性)	N(既无原子性也无可见性)	N	高
volatile	Y	Y	N（无原子性）	N	较高
原子类	Y	Y	Y	难以实现	中
并发锁	Y	Y	Y	Y	低

结论

由上表可得出以下结论：

1. 原始类型虽然对简单读写保持原子性，但是由于没有可见性，在共享资源被多线程访问时基本无用；
2. volatile变量可对简单读写保持原子性和可见性，因此在较为极端的情况下可用于共享资源的多线程访问，《Thinking in java》一书中曾经提到“如果要使用volatile来修饰多线程的共享资源，除非该对象中仅有一个域的值能够变化，其赋值时不能引用自身的值，也不能添加一些数值的比较条件”。这种要求实在是太苛刻了，一般的自增操作就会打破此规则。因此volatile在绝大多数情况下仍是不可用的；
3. 原子类的应用领域则宽广得多，由于原子类可对自增操作保持原子性和可见性，因此常常被用来作为多线程中指示数值的共享资源。且原子类的性能要优于并发锁，毕竟它省去了加锁、解锁过程。

4. 在除了上面2和3提到的一些特殊情况外，其他时间若多线程要访问共享资源，则最好使用并发锁对资源访问代码进行加锁。

   总结起来就是：在并发编程且访问共享变量时，经常用并发锁，明白时用原子类，尽量不用volatile。