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内存中的原子性

WangScaler: 一个用心创作的作者。

声明：才疏学浅，如有错误，恳请指正。

原子性

原子性：不可分割,操作不能打断。

我们上节在对内存可见性造成影响的代码中讲述了可以使用volatile来保证内存的可见性，当工作内存的值变化了会立即刷新到主内存中，同时使其他线程的工作内存的值失效，从而从主内存中重新拉取新的值。那么多线程同时操作一个值，仅仅只有可见性，能得到我们预期的结果吗？

写个例子来看一下

示例

package com.wangscaler.jmm;

/**
 * @author WangScaler
 * @date 2021/8/4 13:49
 */

public class Atomicity {
    volatile int num = 0;

    public void add() {
        this.num++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        Atomicity atomicity = new Atomicity();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                atomicity.add();
            }
        }, "Add").start();
        new Thread(() -> {
            for (int i = 0; i < 100000; i++) {
                atomicity.add();
            }
        }, "Add2").start();
        while (Thread.activeCount() > 2) {
            Thread.yield();
        }
        System.out.println("两个线程结束后最终的num值为" + atomicity.num);
    }
}

正常来说，我们预期的结果应该是200000。然而当我们执行的时候却总是是少于这个数的，当然也是有几率达到预期值。为什么执行的结果大出意料呢？

this.num++;的字节码如下（IDEA查看字节码，可参考往期文章从字节码讲解i++和++i的区别｜8月更文挑战）：

 2 getfield #2 <com/wangscaler/jmm/Atomicity.num : I>
 5 iconst_1
 6 iadd
 7 putfield #2 <com/wangscaler/jmm/Atomicity.num : I>

getfield从主内存读取num的值，iconst_1将值放到操作数栈位置一的位置，iadd进行++操作，putfield写回主内存。在多线程中，这四步中间可能会和其他线程交替执行。

假设当主内存为10的时候，线程Add读取了主内存的num的值10（Add执行字节码getfield）
紧接着Add2的线程也读取了主内存num的值10（Add2执行字节码getfield）
然后两个线程分别进行了+1操作（Add先执行字节码iadd,随后Add2执行字节码iadd），因为工作内存的数据变化了，又分别写入主内存。
假设线程Add先写入11；其后线程Add2也写入了11。（Add先执行字节码putfield,随后Add2执行字节码putfield）
这时就出现了我们非预期的结果，我们预期的是经过两个线程之后，值应该为12，现在的结果却是11。
多次出现这种情况那么最终的值肯定是低于200000。

如何解决原子性问题

以下的修改三次修改均是在上面示例的基础上进行修改的。

1、原子操作类（CAS）

将num的类型由int修改为AtomicInteger；将add方法的num++；修改为num.getAndIncrement();如下所示：

package com.wangscaler.jmm;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

/**
 * @author WangScaler
 * @date 2021/8/4 13:49
 */

public class Atomicity {
    AtomicInteger num = new AtomicInteger();

    public void add() {
        num.getAndIncrement();
    }

}

为什么AtomicInteger会保证原子性呢，我们打开源码发现

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

继续查看getAndAddInt的源码

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}

在这个getAndAddInt方法里是个循环，循环判断主存的值V和你预期的值A一样时，才会允许你将新值B写入主存，否则重新循环在主存获取值再次比较。（具体的细节可翻阅CAS，后期我会专门写什么是CAS，CAS操作包含三个操作数：内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。）

除了double、long之外的所有基本类型的读取或赋值也都是原子性操作。但是读取并赋值的操作不是原子性的例如我们常见的i++就不是原子性操作。

2、synchronized

给add方法使用关键字synchronized修饰。

public synchronized void add() {
    this.num++;
}

使用这个关键字之后，就保证了操作不能打断。也就是说一个线程执行add方法时，需要等待add的所有字节码执行完之后，下一个线程才能执行。

当Add线程获得add方法的执行权之后，其他线程Add2执行到add方法时将阻塞。
Add线程从主内存读取num，进行++操作，写回主内存
Add2线程才能获得add方法的执行权。

从而保证了num的值达到我们预期的效果。synchronized就是给Add方法加了一把锁，所以我们也可以自己去实现这个锁。

3、Lock锁

package com.wangscaler.jmm;

import java.util.concurrent.locks.Lock;
import java.util.concurrent.locks.ReentrantLock;

/**
 * @author WangScaler
 * @date 2021/8/4 13:49
 */

public class Atomicity {
    volatile int num = 0;
    Lock addLock = new ReentrantLock();

    public void add() {
        addLock.lock();
        try {
            num++;
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        } finally {
            addLock.unlock();
        }
    }
}

和synchronized一样我们给add方法加了一把锁，这样谁获取到权限谁才能执行。

总结

在保持原子性上，优先使用原子操作类（CAS），因为他是非阻塞的同步机制的乐观锁，而synchronized、Lock两种加锁的机制是阻塞的，是一种悲观的互斥锁，大大影响我们的效率。