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Java 中的原子变量简介-Java快速进阶教程

1. 简介

简而言之，当涉及并发时，共享可变状态很容易导致问题。如果未正确管理对共享可变对象的访问，应用程序很快就会变得容易出现一些难以检测的并发错误。

在本文中，我们将重新审视使用锁来处理并发访问，探讨与锁相关的一些缺点，最后引入原子变量作为替代方案。

2. 锁

让我们来看看：

public class Counter {
    int counter; 
 
    public void increment() {
        counter++;
    }
}

在单线程环境中，这非常有效;但是，一旦我们允许多个线程写入，我们就会开始得到不一致的结果。

这是因为简单的增量操作（counter++），它可能看起来像一个原子操作，但实际上是三个操作的组合：获取值、递增和写回更新的值。

如果两个线程尝试同时获取和更新值，则可能会导致更新丢失。

管理对象访问的方法之一是使用锁。这可以通过在增量方法签名中使用同步关键字来实现。sync关键字确保一次只有一个线程可以进入该方法（要了解有关锁定和同步的更多信息，请参阅 –Java 中的同步关键字指南）：

public class SafeCounterWithLock {
    private int counter;
 
    public synchronized void increment() {
        counter++;
    }
}

使用锁可以解决问题。但是，性能受到打击。

当多个线程尝试获取锁时，其中一个线程获胜，而其余线程被阻止或挂起。

挂起然后恢复线程的过程非常昂贵，并且会影响系统的整体效率。

在小程序中，例如计数器，在上下文切换上花费的时间可能比实际代码执行要多得多，从而大大降低了整体效率。

3. 原子操作

有一个研究分支专注于为并发环境创建非阻塞算法。这些算法利用低级原子机指令（如比较和交换（CAS））来确保数据完整性。

典型的 CAS 操作适用于三个操作数：

要操作的内存位置（M）
变量的现有期望值（A）
需要设置的新值（B）

CAS 操作以原子方式将 M 中的值更新为 B，但前提是 M 中的现有值与 A 匹配，否则不执行任何操作。

在这两种情况下，都返回 M 中的现有值。这将三个步骤（获取值、比较值和更新值）组合到单个计算机级别的操作中。

当多个线程尝试通过 CAS 更新相同的值时，其中一个线程获胜并更新该值。但是，与锁的情况不同，没有其他线程被挂起;相反，他们只是被告知他们没有设法更新值。然后，线程可以继续执行进一步的工作，并完全避免上下文切换。

另一个后果是核心程序逻辑变得更加复杂。这是因为我们必须处理 CAS 操作不成功的场景。我们可以一次又一次地重试它，直到它成功，或者我们可以什么都不做，根据用例继续前进。

4. Java中的原子变量

Java 中最常用的原子变量类是 AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean和AtomicReference。这些类分别表示可以原子更新的整数、长整型、布尔值和对象引用。这些类公开的主要方法是：

Get()——从内存中获取值，这样其他线程所做的更改就可见了;相当于读取一个volatile变量
incrementAndGet() -在当前值上原子地加1
Set()——将值写入内存，这样更改对其他线程可见;相当于写一个易失性变量
lazySet()——最终将值写入内存，可能会用后续相关的内存操作重新排序。一个用例是为了垃圾收集而使引用无效，而这些引用永远不会再被访问。在这种情况下，通过延迟空易失性写入可以获得更好的性能
compareAndSet()——与第3节中描述的相同，当成功时返回true，否则返回false
weakCompareAndSet()——与第3节中描述的相同，但在某种意义上更弱，即它不创建happens-before顺序。这意味着它不一定会看到对其他变量的更新。从Java 9开始，这个方法在所有原子实现中都已弃用，取而代之的是weakCompareAndSetPlain()。weakCompareAndSet()的内存效果很简单，但是它的名字暗示了volatile内存效果。为了避免这种混淆，他们弃用了这个方法，并添加了四个具有不同内存效果的方法，如weakCompareAndSetPlain()或weakCompareAndSetVolatile()

使用AtomicInteger实现的线程安全计数器如下例所示:

public class SafeCounterWithoutLock {
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
    int getValue() {
        return counter.get();
    }
    
    void increment() {
        counter.incrementAndGet();
    }
}