详解Java中的原子操作

第1章:什么是原子操作

大家好,我是小黑,面试中一个经常被提起的话题就是“原子操作”。那么,到底什么是原子操作呢?在编程里,当咱们谈论“原子操作”时,其实是指那些在执行过程中不会被线程调度机制打断的操作。这种操作要么完全执行,要么完全不执行,没有中间状态。这就像是化学里的原子,不可分割,要么存在,要么不存在。

举个简单的例子,想象一下,小黑在网上银行转账给朋友。这个操作要么完整完成——钱从小黑的账户转到朋友账户,要么根本就不发生——钱还在小黑的账户里。如果转账过程中出现问题,系统不会说“转了一半的钱”,要么就是全转了,要么就是一分没转。这就是原子操作的一个生活实例。

在Java中,原子操作尤为重要,尤其是在多线程环境中。想象一下,如果小黑在操作一个共享变量时,这个操作被其他线程打断,那会发生什么?可能会导致数据不一致,或者更糟糕的情况。因此,保证操作的原子性在并发编程中是非常重要的。

第2章:Java中原子操作的基础

要理解Java中的原子操作,首先得了解一下Java内存模型(JMM)。简单来说,JMM是一种抽象的概念,它描述了Java在内存中如何存储共享变量以及这些变量如何在多线程间交互。JMM定义了线程和主内存之间的关系,以及如何通过同步来保证共享变量的可见性和顺序性。

在多线程环境中,每个线程都有自己的工作内存,用于存储使用中的共享变量的副本。当线程对这些变量进行读写操作时,它们实际上是在操作这些副本。只有通过同步操作,这些变量的值才会真正地在主内存和工作内存间传递。

那么,原子操作和JMM有什么关系呢?原子操作保证了在单个操作中,变量的读取、修改和写回都是不可分割的。这就确保了即使在多线程环境中,这些操作也能保持一致性和正确性。

让咱们来看一个简单的Java代码示例,展示非原子操作的问题:

 

java

复制代码

public class Counter { private int count = 0; public void increment() { count++; // 非原子操作 } public int getCount() { return count; } }

在这个例子中,count++看似是一个简单的操作,但实际上它包含了三个步骤:读取count的值,增加1,然后写回新的值。在多线程环境中,如果两个线程同时执行increment()方法,它们可能读到同一个count值,结果就是count只增加了1,而不是2。这就是非原子操作可能带来的问题。

第3章:Java原子类概览

原子类的基本概念

原子类,顾名思义,就是用来进行原子操作的类。在Java中,这些类提供了一种线程安全的方式来操作单个变量,无需使用synchronized关键字。原子类的操作是基于CAS(Compare-And-Swap,比较并交换)机制实现的,这是一种轻量级的同步策略,比传统的锁机制更高效。

常见的原子类

让咱们来看几个常用的原子类:

  1. AtomicInteger:提供了一个可以原子性更新的int值。
  2. AtomicLong:和AtomicInteger类似,但它是针对long类型的。
  3. AtomicBoolean:提供了一个可以原子性更新的boolean值。
  4. AtomicReference:提供了一个可以原子性更新的对象引用。
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