Java并发编程-原子操作的实现原理

原子（atomic）本意时“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

Java 如何实现原子操作

在 Java 中可以通过锁和循环 CAS 的方式实现原子操作。

1、使用循环 CAS 实现原子操作

JVM 中的 CAS 操作正是利用了处理器提供的 CMPXCHG 指令实现的。自旋 CAS 实现的基本思路就是循环进行 CAS 操作直到成功为止，以下代码实现了一个基于 CAS 线程安全的计数器方法 safeCount 和一个非线程安全的计数器 count。

import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * Author: YiFan
 * Date: 2018/11/25 20:39
 * Description: CAS操作
 */
public class CASTest {

    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
    private int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        final CASTest cas = new CASTest();
        List<Thread> threads = new ArrayList<>(600);
        long start = System.currentTimeMillis();
        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            Thread t = new Thread(() -> {
                for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                    cas.count();
                    cas.safeCount();
                }
            });
            threads.add(t);
        }
        for (Thread t:
                threads
             ) {
            t.start();
        }
        // 等待所有线程执行完成
        for (Thread t:
                threads
             ) {
            t.join();
        }
        System.out.println(cas.i);
        System.out.println(cas.atomicI.get());
        System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
    }

    // 非线程安全计数器
    private void count() {
        i++;
    }

    // 使用CAS实现线程安全计数器
    private void safeCount() {
        for (;;) {
            int i = atomicI.get();
            boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
            if (suc) {
                break;
            }
        }
    }
}

该示例演示了多线程下对共享变量进行操作，count 方法中没有使用 CAS 操作，导致多个线程可以同时对共享变量 i 进行操作，所以导致最终的 i 值不为 100000。但是 safeCount 方法中使用了 CAS 操作，这样就解决的多线程下对 i++ 的原子性操作了，所以最终 i 值始终为 100000。

2、使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。JVM 内部实现了很多种锁机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。其中 JVM 实现锁的方式都用了循环 CAS，即当一个线程想进入同步块的时候使用循环 CAS 的方式来获取锁，当他退出同步块的时候使用循环 CAS 释放锁。