Java 中的原子操作有哪些注意事项？

什么是原子性和原子操作

• 在编程中，具备原子性的操作被称为原子操作。原子操作是指一系列的操作，要么全部发生，要么全部不发生，不会出现执行一半就终止的情况。
• 比如转账行为就是一个原子操作，该过程包含扣除余额、银行系统生成转账记录、对方余额增加等一系列操作。
• 虽然整个过程包含多个操作，但由于这一系列操作被合并成一个原子操作，所以它们要么全部执行成功，要么全部不执行，不会出现执行一半的情况。
• 比如我的余额已经扣除，但是对方的余额却不增加，这种情况是不会出现的，所以说转账行为是具备原子性的。而具有原子性的原子操作，天然具备线程安全的特性。

下面我们举一个不具备原子性的例子，比如 i++ 这一行代码在 CPU 中执行时，可能会从一行代码变为以下的 3 个指令

• 第一个步骤是读取；
• 第二个步骤是增加；
• 第三个步骤是保存。

这就说明 i++ 是不具备原子性的，同时也证明了 i++ 不是线程安全的，如下所示：

• 根据箭头指向依次看，线程 1 首先拿到 i=1 的结果，然后进行 i+1 操作，但假设此时 i+1 的结果还没有来得及被保存下来，线程 1 就被切换走了，于是 CPU 开始执行线程 2，它所做的事情和线程 1 是一样的 i++ 操作，但此时我们想一下，它拿到的 i 是多少？实际上和线程 1 拿到的 i 结果一样，同样是 1，为什么呢？因为线程 1 虽然对 i 进行了 +1 操作，但结果没有保存，所以线程 2 看不到修改后的结果。
• 然后假设等线程 2 对 i 进行 +1 操作后，又切换到线程 1，让线程 1 完成未完成的操作，即将 i+1 的结果 2 保存下来，然后又切换到线程 2 完成 i=2 的保存操作，虽然两个线程都执行了对 i 进行 +1 的操作，但结果却最终保存了 i=2，而不是我们期望的 i=3，这样就发生了线程安全问题，导致数据结果错误，这也是最典型的线程安全问题。

Java 中的原子操作有哪些？

• 在了解了原子操作的特性之后，让我们来看一下 Java 中有哪些操作是具备原子性的。Java 中的以下几种操作是具备原子性的，属于原子操作：
• 除了 long 和 double 之外的基本类型（int、byte、boolean、short、char、float）的读/写操作，都天然的具备原子性；
• 所有引用 reference 的读/写操作；
• 加了 volatile 后，所有变量的读/写操作（包含 long 和 double）。这也就意味着 long 和 double 加了 volatile 关键字之后，对它们的读写操作同样具备原子性；
• 在 java.concurrent.Atomic 包中的一部分类的一部分方法是具备原子性的，比如 AtomicInteger 的 incrementAndGet 方法。

long 和 double 的原子性

在前面，我们讲述了 long 和 double 和其他的基本类型不太一样，好像不具备原子性，这是什么原因造成的呢？ 官方文档对于上述问题的描述，如下所示：

• 从刚才的 JVM 规范中我们可以知道，long 和 double 的值需要占用 64 位的内存空间，而对于 64 位值的写入，可以分为两个 32 位的操作来进行。
• 这样一来，本来是一个整体的赋值操作，就可能被拆分为低 32 位和高 32 位的两个操作。如果在这两个操作之间发生了其他线程对这个值的读操作，就可能会读到一个错误、不完整的值。
• JVM 的开发者可以自由选择是否把 64 位的 long 和 double 的读写操作作为原子操作去实现，并且规范推荐 JVM 将其实现为原子操作。当然，JVM 的开发者也有权利不这么做，这同样是符合规范的。
• 规范同样规定，如果使用 volatile 修饰了 long 和 double，那么其读写操作就必须具备原子性了。同时，规范鼓励程序员使用 volatile 关键字对这个问题加以控制，由于规范规定了对于 volatile long 和 volatile double 而言，JVM 必须保证其读写操作的原子性，所以加了 volatile 之后，对于程序员而言，就可以确保程序正确。

实际开发中

• 此时，你可能会有疑问，比如，如果之前对于上述问题不是很了解，在开发过程中没有给 long 和 double 加 volatile，好像也没有出现过问题？而且，在以后的开发过程中，是不是必须给 long 和 double 加 volatile 才是安全的？
• 其实在实际开发中，读取到“半个变量”的情况非常罕见，这个情况在目前主流的 Java 虚拟机中不会出现。因为 JVM 规范虽然不强制虚拟机把 long 和 double 的变量写操作实现为原子操作，但它其实是“强烈建议”虚拟机去把该操作作为原子操作来实现的。
• 而在目前各种平台下的主流虚拟机的实现中，几乎都会把 64 位数据的读写操作作为原子操作来对待，因此我们在编写代码时一般不需要为了避免读到“半个变量”而把 long 和 double 声明为 volatile 的。

原子操作 + 原子操作 != 原子操作

• 值得注意的是，简单地把原子操作组合在一起，并不能保证整体依然具备原子性。
• 比如连续转账两次的操作行为，显然不能合并当做一个原子操作，虽然每一次转账操作都是具备原子性的，但是将两次转账合为一次的操作，这个组合就不具备原子性了，因为在两次转账之间可能会插入一些其他的操作，例如系统自动扣费等，导致第二次转账失败，而且第二次转账失败并不会影响第一次转账成功。