Java自增原子性问题（测试Volatile、AtomicInteger）

　　这是美团一面面试官的一个问题，后来发现这是一道面试常见题，怪自己没有准备充分：i++;在多线程环境下是否存在问题？当时回答存在，接着问，那怎么解决？。。。好吧，我说加锁或者synchronized同步方法。接着问，那有没有更好的方法？

　　经过一番百度、谷歌，还可以用AtomicInteger这个类，这个类提供了自增、自减等方法（如i++或++i都可以实现），这些方法都是线程安全的。

一、补充概念

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1.什么是线程安全性？

　　《Java Concurrency in Practice》中有提到：当多个线程访问某个类时，这个类始终都能表现出正确的行为，那么就称这个类是线程安全的。

2.Java中的“同步”

　　Java中的主要同步机制是关键字“synchronized”，它提供了一种独占的加锁方式，但“同步”这个术语还包括volatile类型的变量，显式锁（Explicit Lock）以及原子变量。

2.原子性

　　原子是世界上的最小单位，具有不可分割性。比如 a=0；（a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作时原子操作。再比如：a++；这个操作实际是a = a + 1；是可分割的，所以他不是一个原子操作。非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们称它具有原子性。java的concurrent包下提供了一些原子类，我们可以通过阅读API来了解这些原子类的用法。比如：AtomicInteger、AtomicLong、AtomicReference等。

二、实例源码

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public class IncrementTestDemo {

    public static int count = 0;
    public static Counter counter = new Counter();
    public static AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
    volatile public static int countVolatile = 0;
    
    public static void main(String[] args) {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            new Thread() {
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000; j++) {
                        count++;
                        counter.increment();
                        atomicInteger.getAndIncrement();
                        countVolatile++;
                    }
                }
            }.start();
        }
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        
        System.out.println("static count: " + count);
        System.out.println("Counter: " + counter.getValue());
        System.out.println("AtomicInteger: " + atomicInteger.intValue());
        System.out.println("countVolatile: " + countVolatile);
    }
    
}

class Counter {
    private int value;

    public synchronized int getValue() {
        return value;
    }

    public synchronized int increment() {
        return ++value;
    }

    public synchronized int decrement() {
        return --value;
    }
}

　　输出结果：

static count: 9952
Counter: 10000
AtomicInteger: 10000
countVolatile: 9979

　　第一行与最后一行，每次运行将得到不同的结果，但是中间两行的结果相同。

　　通过上面的例子说明，要解决自增操作在多线程环境下线程不安全的问题，可以选择使用Java提供的原子类，或者使用synchronized同步方法。

　　而通过Volatile关键字，并不能解决非原子操作的线程安全性。Volatile详解

三、Java中的自增原理

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　　虽然递增操作++i是一种紧凑的语法，使其看上去只是一个操作，但这个操作并非原子的，因而它并不会作为一个不可分割的操作来执行。实际上，它包含了三个独立的操作：读取count的值，将值加1，然后将计算结果写入count。这是一个“读取 - 修改 - 写入”的操作序列，并且其结果状态依赖于之前的状态。

　　下面写一个简单的类，用jdk中的工具javap来反编译Java字节码文件。

/**
 * @author zhengbinMac
 */
public class TestDemo {
    public static int count;

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

localhost:Increment zhengbinMac$ javap -c TestDemo
警告: 二进制文件TestDemo包含Increment.TestDemo
Compiled from "TestDemo.java"
public class Increment.TestDemo {
  public static int count;

  public Increment.TestDemo();
    Code:
       0: aload_0       
       1: invokespecial #1                  // Method java/lang/Object."<init>":()V
       4: return        

  public void code();
    Code:
       0: getstatic     #2                  // Field count:I
       3: iconst_1      
       4: iadd          
       5: putstatic     #2                  // Field count:I
       8: return        
}

　　如上字节码，我们发现自增操作包括取数（getstatic  #2）、加一（iconst_1和iadd）、保存（putstatic  #2），并不是我们认为的一条机器指令搞定的。

 

参考博文：

关于Java自增操作的原子性分析

JAVA中如何保证线程安全以及主键自增有序

Java - 并发 atomic, synchronization and volatile

java并发之原子性与可见性(一)