并发编程中的原子性问题

测试：20个线程对一个普通int变量进行++操作。

package pers.zhang.juc.part1;/*** @author zhang* @date 2020/1/16 - 17:52** 并发编程中的原子性问题*/
public class TestAtomicDemo {public static void main(String[] args) {AtomicDemo ad = new AtomicDemo();for(int i = 0; i < 20; i++){new Thread(ad,"thread" + i).start();}}
}class AtomicDemo implements Runnable{private int serialNumber = 0;@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + getSerialNumber());}public int getSerialNumber(){return serialNumber++;}
}

输出：

thread0:0
thread1:1
thread5:2
thread12:8
thread9:11
thread10:10
thread11:9
thread13:7
thread14:6
thread4:5
thread2:3 //重复
thread3:4
thread6:3 //重复
thread8:12 //重复
thread7:12 //重复
thread19:13
thread18:14
thread17:15
thread16:16
thread15:17

分析： 是否是由于内存的可见性问题引起的？
测试： 使用volatile关键字声明变量

private volatile int serialNumber = 0;

输出：

thread0:0
thread1:1
thread4:2
thread2:3
thread3:4
thread5:5
thread6:6
thread7:7
thread8:8
thread9:9
thread10:10
thread11:11
thread12:12
thread17:14 //重复
thread18:14 //重复
thread19:13
thread16:15
thread15:16
thread14:17
thread13:18

再次分析： volatile解决了内存可见性问题，但是程序依然错误。由此引出了并发编程中的原子性问题。

在Java中，i++ 操作的底层是这样实现的：

_temp = i;
i = i + 1;
i = _temp;

换一种写法：j = i++;

_temp = i;
i = i + 1;
j = _temp;

可以看出，i++操作并不是一蹴而就的，它是分为几步执行。所以就导致了在多线程环境中，类似i++的非原子性操作出错。

解决： 使用jdk5 以后java.util.concurrent.atomic包下的原子变量

• volatile保证内存可见性
• CAS（Compare-And-Swap）算法保证数据的原子性

CAS算法

CAS是一种硬件对并发的支持，针对多处理器操作而设计的处理器中的一种特殊指令，用于管理对共享数据的并发访问。

CAS是一种无锁的非阻塞算法的实现

CAS包含了3个操作数：

• 需要读写的内存值V
• 进行比较的值A
• 拟写入的新值B

当且仅当V的值等于A时，CAS通过原子方式用新值B来更新V的值，否则不会执行任何操作。

原子变量

• 类的小工具包，支持在单个变量上解除锁的线程安全编程。事实上，此包中的类可将volatile值、字段和数组元素的概念扩展到哪些也提供原子条件更新操作的类。

• 类AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong和AtomicReference的实例各自提供对相应类型单个变量的访问和更新。每个类也为该类型提供适当的实用工具方法。

• AtomicIntegerArray、AtomicLongArray和AtomicReferenceArray类进一步扩展了原子操作，对这些类型的数组提供了支持。这些类在为数组元素提供volatile访问语义方面也引人注目，这对于普通数组来说是不受支持的。

核心方法：boolean compareAndSet(expectedValue, updateVlue)

改正上面的示例程序

package pers.zhang.juc.part1;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;/*** @author zhang* @date 2020/1/16 - 17:52** 并发编程中的原子性问题*/
public class TestAtomicDemo {public static void main(String[] args) {AtomicDemo ad = new AtomicDemo();for(int i = 0; i < 20; i++){new Thread(ad,"thread" + i).start();}}
}class AtomicDemo implements Runnable{private volatile AtomicInteger serialNumber = new AtomicInteger(0);@Overridepublic void run() {try {Thread.sleep(200);} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ":" + getSerialNumber());}public int getSerialNumber(){return serialNumber.getAndIncrement();//获取并自增}
}

输出：

thread1:2
thread3:3
thread0:1
thread2:0
thread4:4
thread5:5
thread6:6
thread7:7
thread9:8
thread8:9
thread12:10
thread11:11
thread10:12
thread13:13
thread19:15
thread15:18
thread14:19
thread16:17
thread18:16
thread17:14