Android多线程研究（8）——Java中的原子性理解

一、什么是原子性

原子性是世界上最小单位，具有不可分割性。比如a=0;(a非long和double类型）这个操作是不可分割的，那么我们说这个操作是原子操作。再比如：a++;这个操作实际上是a=a+1;是可分割的，所以他不是一个原子操作。

二、原子操作的作用

非原子操作都会存在线程安全问题，需要我们使用同步技术（sychronized）来让它变成一个原子操作。一个操作是原子操作，那么我们就称它具有原子性。java.util.concurrent.atomic包下提供了一些原子类如下：

三、理解AtomicInteger类

下面是AtomicInteger类中几个常用的方法：

可能很多人和我一样存在着这样一个疑问，在AtomicInteger中是如何实现原子性的呢？有前辈已经对AtomiInteger的源码进行了分析《对 AtomicInteger 源码 的理解》我在这里仅仅是引用一下，做个记录。先来看看源码：

	public final int getAndIncrement() {
		for (;;) {
			int current = get();
			int next = current + 1;
			if (compareAndSet(current, next))
				return current;
		}
	}

看这段代码和上面对原子性的分析，从int next  = current + 1可以看到，这里很难保证操作的原子性，重点在于compareAndSet(current, next)方法

该函数 只有两个参数，可操作的确实三个值 ，即 value ,expect, update. 他使用了 由硬件保证其原子性的指令 CAS （compare and swap）。

compareAndSet  函数保证了 比较，赋值这两步操作可以通过一个原子操作完成。

然后看整个函数， 所有代码被放到了一个循环里面， 如果compareAndSet（）执行失败，则说明 在int current = get(); 以后，其他线程对value进行了更新， 于是就循环一次，重新获取当前值，直到compareAndSet（）执行成功为止。

综上，getAndIncrement() 方法并不是原子操作。 只是保证了他和其他函数对 value 值得更新都是有效的。他所利用的是基于冲突检测的乐观并发策略。 可以想象，这种乐观在线程数目非常多的情况下，失败的概率会指数型增加。

四、理解volatile修饰符

在Java内存模型中，有main memory，每个线程也有自己的memory (例如寄存器)。为了性能，一个线程会在自己的memory中保持要访问的变量的副本。这样就会出现同一个变量在某个瞬间，在一个线程的memory中的值可能与另外一个线程memory中的值，或者main memory中的值不一致的情况。 
一个变量声明为volatile，就意味着这个变量是随时会被其他线程修改的，因此不能将它cache在线程memory中。以下例子展现了volatile的作用： 

package com.codeing.snail.test;

public class TestAtomic extends Thread {

	private volatile boolean pleaseStop;

	public void run() {
		
		while (!pleaseStop) {
			// do some stuff...
		}
	}

	public void tellMeToStop() {
		pleaseStop = true;
	}
}

假如pleaseStop没有被声明为volatile，线程执行run的时候检查的是自己的副本，就不能及时得知其他线程已经调用tellMeToStop()修改了pleaseStop的值。 
Volatile一般情况下不能代替sychronized，因为volatile不能保证操作的原子性，即使只是i++，实际上也是由多个原子操作组成：read i; inc; write i，假如多个线程同时执行i++，volatile只能保证他们操作的i是同一块内存，但依然可能出现写入脏数据的情况。

volatile关键字用于声明简单类型变量，如int、float、 boolean等数据类型。如果这些简单数据类型声明为volatile，对它们的操作就会变成原子级别的。但这有一定的限制。例如，下面的例子中的n就不是原子级别的： 

package com.codeing.snail.test;

public class TestAtomic extends Thread {
	public static volatile int n = 0;

	public void run() {
		for (int i = 0; i < 10; i++)
			try {
				n = n + 1;
				sleep(3); // 为了使运行结果更随机，延迟3毫秒

			} catch (Exception e) {
			}
	}

	public static void main(String[] args) throws Exception {

		Thread threads[] = new Thread[100];
		for (int i = 0; i < threads.length; i++)
			// 建立100个线程
			threads[i] = new TestAtomic();
		for (int i = 0; i < threads.length; i++)
			// 运行刚才建立的100个线程
			threads[i].start();
		for (int i = 0; i < threads.length; i++)
			// 100个线程都执行完后继续
			threads[i].join();
		System.out.println(" n= " + TestAtomic.n);
	}
}

如果对n的操作是原子级别的，最后输出的结果应该为n=1000，而在执行上面积代码时，很多时侯输出的n都小于1000，这说明n=n+1不是原子级别的操作。原因是声明为volatile的简单变量如果当前值由该变量以前的值相关，那么volatile关键字不起作用。

五、锁和Atomic的使用场景

JDK的文档中说：“设计原子类主要用作各种块，用于实现非阻塞数据结构和相关基础结构类。compareAndSet()方法不是锁定的常规替换方法。仅当对象的重要更新限于单个变量时才应用它”与锁相比，另外Volatile 变量是一种非常简单但同时又非常脆弱的同步机制，它在某些情况下将提供优于锁的性能和伸缩性。如果严格遵循 volatile 的使用条件 —— 即变量真正独立于其他变量和自己以前的值 —— 在某些情况下可以使用 volatile 代替 synchronized 来简化代码。然而，使用 volatile 的代码往往比使用锁的代码更加容易出错。