Java 实现原子操作的方式

原子操作

先来介绍一下啥是原子操作，原子（atomic）本意是 “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”

接下来，我们来看看实现原子操作的方式。
 

实现原子操作的方式

 
一、使用互斥（阻塞）同步

实现原子操作最容易想到的方式便是互斥同步了，通过使用编程语言提供给我们的同步锁，比如 Java 的关键字 synchronized 或者使用 J.U.C 包中的 ReentrantLock，保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。因为只能有一个线程进入临界区，所以临界区内的一系列操作，必定是原子操作，不可被分割，即便进入临界区的线程耗尽 CPU 时间片，被挂起，其它线程也无法进入临界区。

注意：其实，Java 的 synchronized 从 JDK1.6 版本后，就不算严格意义上的互斥同步了，由于引入了各种锁优化，它也拥有了一些乐观锁的特点，感兴趣的可以看我另外两篇文章。

synchronized 锁优化（一）：自适应自旋锁、锁消除、锁粗化

synchronized 锁优化（二）：锁的状态及锁膨胀

 
二、非阻塞同步：CAS

CAS（Compare and Swap，比较并交换）是 CPU 支持的原子性操作。CAS 指令需要有 3 个操作数，分别是内存地址 V、旧的预期值 A 和新值 B。当执行操作时，只有当 V 的值等于 A，才将 V 的值更新为 B。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。

在 Java 中除了使用同步锁，还可以使用循环 CAS 的方式来实现原子操作。比如 J.U.C 包中的原子操作类，都是使用 CAS 来实现原子操作的，它主要分为以下四类：

• 原子更新基本类型类：AtomicBoolean、AtomicInteger、AtomicLong
• 原子更新数组：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
• 原子更新引用类型：AtomicReference、AtomicMarkableReference、AtomicReferenceFieldUpdater
• 原子更新字段类：AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicStampedReference

虽然相较于互斥同步这种悲观锁，使用 CAS 这种乐观的并发策略，实现原子操作更为高效，但是 CAS 仍然存在如下三个问题。

• ABA 问题：因为 CAS 需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是 A，变成了 B，又变成了 A，那么使用 CAS 进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。ABA 问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加 1，那么 A→B→A 就会变成 1A→2B→3A 。从 Java 1.5 开始，JDK 的 Atomic 包里提供了一个类 AtomicStampedReference 来解决 ABA 问题（就是我们上面刚介绍过的原子操作类中的原子更新引用类型）。这个类的 compareAndSet 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。
• 循环时间长开销大：自旋 CAS 如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。
• 只能保证一个共享变量的原子操作：当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环 CAS 的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环 CAS 就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量 i＝2，j=a，合并一下 ij=2a，然后用 CAS 来操作 ij 。或者使用我们上面才介绍过的原子操作引用类型！将多个共享变量放入一个对象里来进行 CAS 操作！