526互联

原子性问题及其解决方案synchronized、ReentrantLock、原子操作（AtomicInteger、AtomicReference）

发布时间 2023-04-23 18:14:54作者: 周文豪

一、原子性的问题案例1

public class Demo3Volatile {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      Thread t = new Thread(demo);
      t.start();
   }
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(demo.count);
 }
  static class VolatileDemo implements Runnable {
    public volatile int count;
    //public volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public void run() {
      addCount();
   }
    public void addCount() {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        count++;
     }
   }
 }
}

结果：48109

以上出现原子性问题的原因是count++并不是原子性操作。

count = 5 开始，流程分析：

（1）、线程1读取count的值为5

（2）、线程2读取count的值为5

（3）、线程2加1操作

（4）、线程2最新count的值为6

（5）、线程2写入值到主内存的最新值为6

这个时候，线程1的count为5，线程2的count为6。如果切换到线程1执行，那么线程1得到的结果是6，写入到主内存的值还是6，现在的情况是对count进行了两次加1操作，但是主内存实际上只是加1一次

解决方案：

（1）、使用synchronized

（2）、使用ReentrantLock（可重入锁）

（3）、使用AtomicInteger（原子操作）

使用synchronized

public class Demo3Volatile {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      Thread t = new Thread(demo);
      t.start();
   }
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(demo.count);
 }
  static class VolatileDemo implements Runnable {
    public volatile int count;
    //public volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public void run() {
      addCount();
   }
    public synchronized void addCount() {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        count++;
     }
   }
 }
}

结果：50000

使用ReentrantLock（可重入锁）

public class Demo3Volatile {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      Thread t = new Thread(demo);
      t.start();
   }
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(demo.count);
 }
  static class VolatileDemo implements Runnable {
    private Lock lock = new ReentrantLock();
    public volatile int count;
    public void run() {
      addCount();
   }
    public void addCount() {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        lock.lock();
        count++;
        lock.unlock();
     }
   }
 }
}

使用AtomicInteger（原子操作）

public class Demo3Volatile {
  public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
    VolatileDemo demo = new VolatileDemo();
    for (int i = 0; i < 5; i++) {
      Thread t = new Thread(demo);
      t.start();
   }
    Thread.sleep(1000);
    System.out.println(demo.count);
 }
  static class VolatileDemo implements Runnable {
    public volatile AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);
    public void run() {
      addCount();
   }
    public void addCount() {
      for (int i = 0; i < 10000; i++) {
        count.incrementAndGet();
     }
   }
 }
}

结果：50000

synchronized既能保证可见性，又能保证原子性，而volatile只能保证可见性，无法保证原子性。

如果是 count ++操作，使用如下类实现：AtomicInteger count = new AtomicInteger(); count . addAndGet( 1 );

如果是 JDK 8，推荐使用 LongAdder 对象，比 AtomicLong 性能更好 （ 减少乐观锁的重试次数 ） 。

二、原子性的问题案例2

通过对 AtomicInteger、AtomicBoolean 和 AtomicLong 分析我们发现，这三个原子类只能对单个变量进行原子操作，那么我们如果要对多个变量进行原子操作，这三个类就无法实现了。

那如果要进行多个变量进行原子操作呢？操作方式就是，先把 多个变量封装成一个类，然后通过 AtomicReference 进行操作。

众所周知，对象的引用其实是一个4字节的数字，代表着在JVM堆内存中的引用地址，对一个4字节数字的读取操作和写入操作本身就是原子性的，通常情况下，我们对对象引用的操作一般都是获取该引用或者重新赋值（写入操作），我们也没有办法对对象引用的4字节数字进行加减乘除运算，那么为什么JDK要提供AtomicReference类用于支持引用类型的原子性操作呢？

案例场景：

这里通过设计一个个人银行账号资金变化的场景，逐渐引入AtomicReference的使用，该实例有些特殊，需要满足如下几点要求。

  • 个人账号被设计为不可变对象，一旦创建就无法进行修改。
  • 个人账号类只包含两个字段：账号名、现金数字。
  • 为了便于验证，我们约定个人账号的现金只能增多而不能减少。

根据前两个要求，我们简单设计一个代表个人银行账号的Java类DebitCard，该类将被设计为不可变。

实体类

@Data
@AllArgsConstructor
@ToString
public class DebitCard {
    private final String name;
    private final int account;
}

AtomicReferenceDemo1

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;

public class AtomicReferenceDemo1 {

    // 定义为 volatile 修饰的变量
    volatile static  DebitCard debitCard = new DebitCard("zhangSan", 10);

    public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
            new Thread(() -> {
                while (true){
                    // 读取全局的 debitCard 对象
                    final DebitCard debitCard1 = debitCard;
                    // 基于全局的 debitCard 加10构建一个新的对象
                    DebitCard newDc = new DebitCard(debitCard1.getName(), debitCard1.getAccount() + 10);
                    // 把新建的对象赋值给 全局的变量
                    debitCard = newDc;
                    System.out.println(newDc);
                    try {
                        TimeUnit.SECONDS.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(20));
                    } catch (InterruptedException e) {
                        e.printStackTrace();
                    }
                }
            }, "T-" + i).start();
        });
    }
}

控制台打印结果：

DebitCard(name=zhangSan, account=30)
DebitCard(name=zhangSan, account=60)
DebitCard(name=zhangSan, account=40)
DebitCard(name=zhangSan, account=80)
DebitCard(name=zhangSan, account=50)
DebitCard(name=zhangSan, account=20)
DebitCard(name=zhangSan, account=90)
DebitCard(name=zhangSan, account=70)
DebitCard(name=zhangSan, account=110)
DebitCard(name=zhangSan, account=100)
DebitCard(name=zhangSan, account=120)
DebitCard(name=zhangSan, account=130)
DebitCard(name=zhangSan, account=140)
DebitCard(name=zhangSan, account=150)
DebitCard(name=zhangSan, account=160)
DebitCard(name=zhangSan, account=170)
DebitCard(name=zhangSan, account=180)
DebitCard(name=zhangSan, account=190)
DebitCard(name=zhangSan, account=200)
DebitCard(name=zhangSan, account=210)
DebitCard(name=zhangSan, account=220)
DebitCard(name=zhangSan, account=230)
DebitCard(name=zhangSan, account=240)
DebitCard(name=zhangSan, account=250)
DebitCard(name=zhangSan, account=260)
DebitCard(name=zhangSan, account=260)
DebitCard(name=zhangSan, account=270)
DebitCard(name=zhangSan, account=280)
DebitCard(name=zhangSan, account=290)
DebitCard(name=zhangSan, account=300)
DebitCard(name=zhangSan, account=310)
DebitCard(name=zhangSan, account=320)
DebitCard(name=zhangSan, account=330)
DebitCard(name=zhangSan, account=340)
DebitCard(name=zhangSan, account=350)
DebitCard(name=zhangSan, account=360)

根据运行结果我们发现，出现了两处存在问题的地方(上图标红的地方)，这个是什么造成的呢？这就涉及到我们之前讲过的，虽然被 volatile 关键字修饰的变量每次更改都可以立即被其他线程看到，但是我们针对对象引用的修改其实至少包含了如下两个步骤，获取该引用和改变该引用 每一个步骤都是原子性的操作，但组合起来就无法保证原子性了。
解决办法1：通过加锁解决

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.stream.IntStream;

public class AtomicReferenceDemo1 {

    // 定义为 volatile 修饰的变量
    volatile static  DebitCard debitCard = new DebitCard("zhangSan", 10);

    public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
            new Thread(() -> {
                while (true){
                    synchronized (AtomicReferenceDemo1.class) {
                        // 读取全局的 debitCard 对象
                        final DebitCard debitCard1 = debitCard;
                        // 基于全局的 debitCard 加10构建一个新的对象
                        DebitCard newDc = new DebitCard(debitCard1.getName(), debitCard1.getAccount() + 10);
                        // 把新建的对象赋值给 全局的变量
                        debitCard = newDc;
                        System.out.println(newDc);
                        try {
                            TimeUnit.SECONDS.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(20));
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }
                    }

                }
            }, "T-" + i).start();
        });
    }
}

结果如下：

DebitCard(name=zhangSan, account=20)
DebitCard(name=zhangSan, account=30)
DebitCard(name=zhangSan, account=40)
DebitCard(name=zhangSan, account=50)
DebitCard(name=zhangSan, account=60)
DebitCard(name=zhangSan, account=70)
DebitCard(name=zhangSan, account=80)
DebitCard(name=zhangSan, account=90)
DebitCard(name=zhangSan, account=100)
DebitCard(name=zhangSan, account=110)
DebitCard(name=zhangSan, account=120)
DebitCard(name=zhangSan, account=130)
DebitCard(name=zhangSan, account=140)
DebitCard(name=zhangSan, account=150)
DebitCard(name=zhangSan, account=160)
DebitCard(name=zhangSan, account=170)
DebitCard(name=zhangSan, account=180)
DebitCard(name=zhangSan, account=190)
DebitCard(name=zhangSan, account=200)
DebitCard(name=zhangSan, account=210)
DebitCard(name=zhangSan, account=220)
DebitCard(name=zhangSan, account=230)
DebitCard(name=zhangSan, account=240)
DebitCard(name=zhangSan, account=250)

结果发现，虽然解决了原子性的问题，但是性能非常低下，因为synchronized会阻塞。

AtomicReference的非阻塞解决方案

上面是一种阻塞式的解决方案，同一时刻只能有一个线程真正在工作，其他线程都将陷入阻塞，因此这并不是一种效率很高的解决方案，这个时候就可以利用 AtomicReference 的非阻塞原子性解决方案提供更加高效的方式了。

import java.util.concurrent.ThreadLocalRandom;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicReference;
import java.util.stream.IntStream;

public class AtomicReferenceDemo1 {

    // 定义为 volatile 修饰的变量
//    volatile static  DebitCard debitCard = new DebitCard("zhangSan", 10);
    static AtomicReference<DebitCard> ref = new AtomicReference(new DebitCard("zhangSan", 10));
    public static void main(String[] args) {
        IntStream.range(0, 10).forEach(i -> {
            new Thread(() -> {
                while (true){
                        // 读取全局的 debitCard 对象
//                        final DebitCard debitCard1 = debitCard;
                        DebitCard debitCard1 = ref.get();
                        // 基于全局的 debitCard 加10构建一个新的对象
                        DebitCard newDc = new DebitCard(debitCard1.getName(), debitCard1.getAccount() + 10);
                        // 把新建的对象赋值给 全局的变量
//                        debitCard = newDc;
                        if(ref.compareAndSet(debitCard1, newDc)){
                            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " 当前值为： " + newDc.toString() + " " + System.currentTimeMillis());
                        }
                        try {
                            TimeUnit.SECONDS.sleep(ThreadLocalRandom.current().nextInt(20));
                        } catch (InterruptedException e) {
                            e.printStackTrace();
                        }

                }
            }, "T-" + i).start();
        });
    }
}

结果如下：

T-0 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=20) 1682243679165
T-7 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=60) 1682243679165
T-1 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=70) 1682243679165
T-6 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=50) 1682243679165
T-4 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=80) 1682243679166
T-3 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=40) 1682243679165
T-2 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=30) 1682243679165
T-5 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=90) 1682243679166
T-8 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=100) 1682243679166
T-9 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=110) 1682243679166
T-3 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=120) 1682243681172
T-5 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=130) 1682243682169
T-8 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=140) 1682243685175
T-6 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=150) 1682243686170
T-1 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=160) 1682243687180
T-4 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=170) 1682243689170
T-2 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=180) 1682243690180
T-1 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=190) 1682243694195
T-0 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=200) 1682243695174
T-7 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=210) 1682243695174
T-4 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=230) 1682243696185
T-0 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=220) 1682243696185
T-5 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=240) 1682243697178
T-0 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=250) 1682243697194
T-3 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=260) 1682243698174
T-7 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=270) 1682243698189
T-6 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=280) 1682243699184
T-1 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=290) 1682243699199
T-8 当前值为： DebitCard(name=zhangSan, account=300) 1682243701178