Java-线程安全之原子操作

在多线程编程中，有着三个至关重要的特性，分别是原子性，可见性，有序性。本文是学习了多线程后对于多线程中原子性的知识点的一些记录。

首先，我们先来了解下什么是原子性：原子性即是指在一个或多个操作中，要么所有的操作都执行成功并且不会受到任何因素的干扰而中断，要么都不执行，不管是一个操作或者多个操作，都是最小的执行单位，不能分割。

用银行转账来说明原子操作：James从自己的账户中往tony的账户中转了100元，这个过程包含了两个基本的操作，首先，从James的账户中减去100元，然后，tony的账户中增加100元。这两个操作必须是一体的，要么都执行成功，要么都不执行，不能James的账户减了100元，而Tony的账户不增加，或者James的账户不减，但tony的账户却增加了。所以，这个转账的过程，必须要符合原子性。而资源在整个操作中，保持一致，没有多，也没有少，这就是原子性的核心特征。

再看两条java语句：

1：int x = 100;

2：x++;

在Java内存模型(JMM)中，定义了8种原子操作，lock(锁定)，unlock(解锁)，read(读取)，write(写入)，load(载入)，store(存储)，use(使用)，assign(赋值)。基本的读取写入和赋值等是保证了原子性的，其他的操作均不能保证，即第一个赋值语句，是原子操作。但是在第二个语句中，x自增，并不是一个原子操作，它包含了三个步骤，第一步：获取x的值；第二步：+1；第三步：重新赋值给x。这三个步骤，每一步单独都是原子操作，但是合到一起，就不是一个原子操作。

若在单线程中，x++是不是原子性无关重要，但是在多线程中，若x++不是一个原子操作，那得到的结果百分之九十九不是我们希望的。那么怎么在多线程中实现类似 x++操作的原子性呢？有两种方式，一是加锁，使用synchronized关键字或者使用 JUC 中的lock。二是使用JUC中的atomic包中的原子操作类。

加锁的方式，相信大家都比较了解，不再讲述，本文主要了解下atomic包中的原子操作类。

打开 源码，在JUC中的atomic包中，我们能看到一系列以 Atomic 开头的类，有AtomicBoolean,AtomicInteger等原子基本类型操作类，也有AtomicIntegerArray，AtomicReference等原子数组，原子引用类型操作类。这些类都是封装好的原子操作类。

为什么说这些类实现了原子操作？在这里，我们先说一个概念：CAS机制

CAS：Compare And Swap，比较和交换。这是一个硬件同步用语，是处理器提供基本内存操作的原子性保证。

CAS机制需要三个变量，一个是内存地址，一个是旧值，一个是新值。只要当内存地址中的数值与旧值相等时，才会将内存地址中对应的值修改成新值，如果不相等，则更新失败。

更新失败后，重新获取旧值，然后再比较，再更新，直到成功，这个过程称为自旋。

自旋 + CAS，是保证原子性的一种方式。java中的 sun.misc.Unsafe类，提供了 compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等几个实现了 自旋+CAS 的方法。而 Atomic*类则是调用了Unsafe类中的方法来实现的。所以说Atomic*类能保证原子性。

相比于加锁，CAS是一种轻量级的实现，所以推荐使用Atomic*类，但它也有自己的不足：

1.自旋+CAS,自旋的实现让所有的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；

2.CAS仅针对单个变量的操作实现原子性，不能用于多个变量；

3.ABA问题。

前两个不足很好理解，关键是第三个问题：ABA问题。

假设有两个线程，同时操作位置 V 中的 数据 A。

线程1和线程2都同时读取到了 A ，然后线程1都要执行CAS(V,A,B)操作，把旧值A修改给新值B。

假设线程2操作落后于线程1，线程1成功执行后，结果又执行了另一个操作，又将B修改成了原来的A，此时，轮到线程2来执行了，线程2并不知道之前的操作，看到地址V中的值仍然是A，与自己的旧值相等，就兴高采烈的将旧值替换了新值了，然后线程2的CAS操作也执行成功了，虽然都执行成了，但结果却并不是我们希望的，线程1替换之前的A虽然和替换后的A相等，但毕竟不是同一个A，就像本山大叔说的，你大妈已经不是你大妈了。

如何解决这个问题呢？很简单，加个版本号，替换之前A的版本是V1，替换为B后，版本为V2，再修改为A后，版本为V3，线程2在执行时，除了比较旧值是否相等，还会比较版本是否一致，此时，线程2并不会执行成功。

在Atomic*类中，AtomicStampedReference类是实现了带有版本号的CAS操作。

本文是对多线程原子性的一个粗略的讲解，后续有更深入的了解后，还会进行更新，有不对的地方，请斧正。