Java原子变量

概述

多个线程操作共享变量（Java堆内存上的数据）会带来bug，Java提供了锁机制（Lock）来管理多线程并发，比如synchronized，但是会带来额外的性能开销（线程阻塞，上下文切换等）。为了提升性能，Java引入了原子变量，通过无锁算法（lock-free）实现多线程安全，比如CAS。
原子变量只是实现多线程安全的一个手段，在对单个共享变量进行”读取-修改-写入“操作的场景下很适合，所以，其适用场景没有synchronized广泛。

多线程问题

首先，实现一个计数器，代码如下：

public class Counter {
    private volatile int num;

    public void increment() {
        num++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        // 多线程递增计数器
        IntStream.range(0, 100).parallel().forEach(i -> counter.increment());
        // 打印结果
        System.out.println("counter: " + counter.num);
    }
}

多次运行上述代码，打印出来的值不是100，而是98，97等。
这是一个典型的多线程问题，num++ 看似一行简单的代码，像是一个原子操作，其实则不然，递增操作可能会三个步骤进行：

1. 读取当前num变量的值
2. 执行num+1
3. 将+1后的值赋值给num变量

所以，多个线程更新后的值会出现覆盖的情况，比如两个线程同时拿到了num的值为50，在各自的线程中执行加法操作后为51，然后更新主存中的值为51，但是我们期望的值是52。

通过synchronized解决

给increment()方法增加synchronized关键字，如下：

// ...
public synchronized void increment() {
    num++;
}
// ...

synchronized是Java中最常用的锁，保证被“监控”代码块在同一个时刻只能由一个线程执行，所以最终出来的结果为100，正确。
但是，该方法会导致没获取锁的线程挂起，发生上下文切换，这就是重量级锁带来的性能开销。

通过原子变量AtomicInteger解决

atomic包下有AtomicInteger类，可以解决上述问题，代码如下：

public class Counter {
    private AtomicInteger num = new AtomicInteger(0);

    public void increment() {
        while (true) {
            int oldValue = num.get();
            int newValue = oldValue + 1;
            if (num.compareAndSet(oldValue, newValue)) {
                return;
            }
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        Counter counter = new Counter();
        // 多线程递增计数器
        IntStream.range(0, 100).parallel().forEach(i -> counter.increment());
        // 打印结果
        System.out.println("counter: " + counter.num);
    }
}

运行代码，输出结果100。

CAS原子操作

Java并发包下的原子变量利用了CAS机制，实现了原子操作。这儿说的原子操作，是指CPU对某一块内存的原子操作（Atomic memory operation）,具备如下特点：

• 串行化多个线程对同一块内存的更新操作（保证多线程更新数据时的安全）。
• 读取-修改-写入这三个操作不可被中断，更新操作要不然成功，要不然失败，不会出现中间状态（保证数据完整性）。
• 只有当内存中的值与期望值相同时，才会执行更新操作（保证正确的逻辑）。

在并发编程中，CAS属于”乐观锁“，假设多线程竞争几率很小，或者在很短的时间内竞争状态会结束，如果多线程竞争非常频繁，会使CPU长时间空转（busy waiting），造成资源浪费。所以，没有银弹！根据场景选择技术方案。

CAS（Compare And Swap）需要特定的CPU指令支持，所以并不是所有硬件平台都支持CAS。Java跨平台的特性要求API的行为一致性，所以在不支持CAS的硬件平台上，atomic会退化成重量级锁。

总结

实现多线程的手段很多，根据场景选择合理的技术方案可以提升程序的性能。本文简单讲述了Java中原子变量是如何解决多线程问题，以及CAS的一些概念。

参考：
[1] Why do we use atomic variables instead of a volatile in Java?
[2] An Introduction to Atomic Variables in Java
[3] When to use AtomicReference in Java?
[4] Threads and Locks
[5] Compare-and-swap
[6] Understanding and Using Atomic Memory Operations