Java并发13:并发三特性-原子性定义、原子性问题与原子性保证技术
[超级链接：Java并发学习系列-绪论]
在Java并发编程中，如果要保证代码的安全性，则必须保证代码的原子性、可见性和有序性。
在 Java并发12:并发三特性-原子性、可见性和有序性概述及问题示例中，对并发中的三个特性(原子性、可见性和有序性)进行了初步学习。
本章主要就Java中保障原子性的技术进行更加全面的学习。
1.整体回顾
- 原子性定义：一个或多个操作，要么全部执行且在执行过程中不被任何因素打断，要么全部不执行。
- Java自带原子性：对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作。
2.原子性问题
由上面的章节已知，不采取任何的原子性保障措施的自增操作并不是原子性的。
下面的代码实现了一个自增器（不是原子性的）。
/**
* 原子性示例：不是原子性
*
* @author hanchao 2018/3/10 14:58
**/
static class Increment {
private int count = 1;
public void increment() {
count++;
}
public int getCount() {
return count;
}
}下面的代码展示了在多线程环境中，调用此自增器进行自增操作。
int type = 0;//类型
int num = 50000;//自增次数
int sleepTime = 5000;//等待计算时间
int begin;//开始的值
Increment increment;
//不进行原子性保护的大范围操作
increment = new Increment();
begin = increment.getCount();
LOGGER.info("Java中普通的自增操作不是原子性操作。");
LOGGER.info("当前运行类：" +increment.getClass().getSimpleName() + "，count的初始值是：" + increment.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {
new Thread(() -> {
increment.increment();
}).start();
}
//等待足够长的时间，以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增，count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment.getCount());某次运行结果:
2018-03-17 22:52:23 INFO ConcurrentAtomicityDemo:132 - Java中普通的自增操作不是原子性操作。
2018-03-17 22:52:23 INFO ConcurrentAtomicityDemo:133 - 当前运行类：Increment，count的初始值是：1
2018-03-17 22:52:33 INFO ConcurrentAtomicityDemo:141 - 进过50000次自增，count应该 = 50001,实际count = 49999通过观察结果，发现程序确实存在原子性问题。
3.原子性技术保障
在Java中提供了多种原子性保障措施，这里主要涉及三种：
- 通过synchronized关键字定义同步代码块或者同步方法保障原子性。
- 通过Lock接口保障原子性。
- 通过Atomic类型保障原子性。
3.1.synchronized关键字
对Increment类进行扩展：
/**
* 原子性示例：通过synchronized保证代码块的原子性
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:07
**/
static class SynchronizedIncrement extends Increment {
/**
* 添加关键字synchronized，使之成为同步方法
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:12
**/
@Override
public synchronized void increment() {
super.count++;
}
}在多线程环境中进行SynchronizedIncrement 的自增：
//synchronized关键字能够保证原子性（代码块锁，多线程操作某一对象时，在某个代码块内只能单线程执行）
increment = new SynchronizedIncrement();
begin = increment.getCount();
LOGGER.info("可以通过synchronized关键字保障代码的原子性");
LOGGER.info("当前运行类：" +increment.getClass().getSimpleName() + "，count的初始值是：" + increment.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {
new Thread(() -> {
increment.increment();
}).start();
}
//等待足够长的时间，以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增，count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment.getCount());运行结果（多次）：
2018-03-18 00:41:30 INFO ConcurrentAtomicityDemo:147 - 可以通过synchronized关键字保障代码的原子性
2018-03-18 00:41:30 INFO ConcurrentAtomicityDemo:148 - 当前运行类：SynchronizedIncrement，count的初始值是：1
2018-03-18 00:41:40 INFO ConcurrentAtomicityDemo:156 - 进过50000次自增，count应该 = 50001,实际count = 50001通过多次运行，发现运行结果一致，所以可以确定synchronized关键字能够保证代码的原子性。
3.2.Lock接口
对Increment类进行扩展：
/**
* 原子性示例：通过Lock接口保证指定范围代码的原子性
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:14
**/
static class LockIncrement extends Increment {
//定义个读写锁：锁内运行多线程读，单线程写
private static final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);
/**
* 运用读写所重写方法
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:13
**/
@Override
public void increment() {
//写锁 加锁
readWriteLock.writeLock().lock();
try {
//开始写
super.count++;
} finally {
//将解锁放在finally块中，保证必然执行，防止死锁
readWriteLock.writeLock().unlock();
}
}
}在多线程环境中进行LockIncrement的测试：
//通过Lock接口保证原子性操作
increment = new LockIncrement();
begin = increment.getCount();
LOGGER.info("可以通过Lock接口保证代码的原子性");
LOGGER.info("当前运行类：" +increment.getClass().getSimpleName() + "，count的初始值是：" + increment.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {
new Thread(() -> {
increment.increment();
}).start();
}
//等待足够长的时间，以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增，count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment.getCount());运行结果（多次）：
2018-03-18 10:12:12 INFO ConcurrentAtomicityDemo:163 - 可以通过Lock接口保证代码的原子性
2018-03-18 10:12:12 INFO ConcurrentAtomicityDemo:164 - 当前运行类：LockIncrement，count的初始值是：1
2018-03-18 10:12:29 INFO ConcurrentAtomicityDemo:172 - 进过50000次自增，count应该 = 50001,实际count = 50001通过多次运行，发现运行结果一致，所以可以确定Lock接口能够保证代码的原子性。
3.3.Atomic类型
对Increment类进行扩展：
/**
* 原子性示例：通过Atomic类型保证类型的原子性
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:19
**/
static class AtomicIncrement {
private AtomicInteger count = new AtomicInteger(1);
/**
* 无需其他处理，直接自增即可
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:21
**/
public void increment() {
count.getAndIncrement();
}
public AtomicInteger getCount() {
return count;
}
}在多线程环境中进行AtomicIncrement的测试：
//通过Atomic变量保证变量操作的原子性
AtomicIncrement increment1 = new AtomicIncrement();
begin = increment1.getCount().get();
LOGGER.info("可以通过Atomic类型保证变量的原子性");
LOGGER.info("当前运行类：" +increment1.getClass().getSimpleName() + "，count的初始值是：" + increment1.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {
new Thread(() -> {
increment1.increment();
}).start();
}
//等待足够长的时间，以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增，count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment1.getCount());运行结果（多次）：
2018-03-18 10:14:37 INFO ConcurrentAtomicityDemo:178 - 可以通过Atomic类型保证变量的原子性
2018-03-18 10:14:37 INFO ConcurrentAtomicityDemo:179 - 当前运行类：AtomicIncrement，count的初始值是：1
2018-03-18 10:14:48 INFO ConcurrentAtomicityDemo:187 - 进过50000次自增，count应该 = 50001,实际count = 50001通过多次运行，发现运行结果一致，所以可以确定Atomic类型能够保证代码的原子性。
4.总结
经验证，以下三种措施，可以保证Java代码在运行时的原子性：
- synchronized关键字
- Lock接口
- Atomic类型
并发三特性总结
| 特性 | volatile关键字 | synchronized关键字 | Lock接口 | Atomic变量 |
|---|---|---|---|---|
| 原子性 | 无法保障 | 可以保障 | 可以保障 | 可以保障 |
| 可见性 | 可以保障 | 可以保障 | 可以保障 | 可以保障 |
| 有序性 | 一定程度保障 | 可以保障 | 可以保障 | 无法保障 |