概述

所谓原子操作是指不会被线程调度机制打断的操作；这种操作一旦开始，就一直运行到结束，中间不会有任何 context switch （切换到另一个线程）。

下面就以i自增操作为例来实现i的原子性。

i++并不是一步完成的，它包含了三个步骤：

1. 加载i;
2. 计算i+1;
3. 给i赋值。

例如，

public class IaddTest {

    public int i = 0;

    public void add(){
        i++;
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        IaddTest iaddTest = new IaddTest();

        for(int i=0;i<2;i++){       //创建两个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        iaddTest.add();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(2000L);//sleep两秒，等待两个线程任务全部执行完成
        System.out.println(iaddTest.i);
    }
}

这段代码中，创建了两个线程分别调用10000次add方法（即两万次i++），理论上最后的输出结果应该为20000，但是实际的运行结果却达不到20000，如下：

这是由于两个线程是并发执行的，当线程1读取i值时，线程2还没有将i+1的值赋给i（例如当i = 1时，线程1读取i=1，同时线程2也读取i=1，然后执行+1操作，结果两个线程都将i赋值为2）。

为了避免这种线程不安全情况的发生，保证程序的正确性，我们就需要将i++进行原子操作。

下面，就通过几种不同的方式来实现原子操作。

1、加锁

1.1、Lock接口

分别在i的前后进行加锁和解锁，实现i的原子操作。

完整示例代码如下：

public class IaddTest {

    public int i = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock(false);

    public void add(){
        try{
            lock.lock();	//加锁
            i++;
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }finally {
            lock.unlock();	//解锁
        }

    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        IaddTest iaddTest = new IaddTest();

        for(int i=0;i<2;i++){       //创建两个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        iaddTest.add();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(2000L);//sleep两秒，等待两个线程任务全部执行完成
        System.out.println("i:" + iaddTest.i);
    }
}

再来看看执行结果：

正确输出20000。

1.2、synchronized关键字

1. 给add方法加synchronized

1. 给i++块加synchronized

完整示例代码：

public class IaddTest {

    public int i = 0;
    private Lock lock = new ReentrantLock(false);

//    public synchronized void add()    //给add方法加锁
    public void add(){
        synchronized (this){            //给i++加锁
            i++;
        }
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        IaddTest iaddTest = new IaddTest();

        for(int i=0;i<2;i++){       //创建两个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        iaddTest.add();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(2000L);//sleep两秒，等待两个线程任务全部执行完成
        System.out.println("i:" + iaddTest.i);
    }
}

执行结果：

正确输出20000。

2、CAS机制

CAS是英文单词Compare and Swap的缩写，翻译过来就是比较并替换。

CAS机制中使用了3个基本操作数：内存地址V，旧的预期值A，要修改的新值B。更新一个变量的时候，只有当变量的预期值A和内存地址V当中的实际值相同时，才会将内存地址V对应的值修改为B。

在sun.misc.Unsafe中提供了CAS操作的本地方法。

java中认为Unsafe类是不安全的类，所以不能直接通过构造函数构造对象，需要使用反射机制。

private static Unsafe unsafe;
// 通过反射获取theUnsafe属性
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
// theUnsafe是private的，设置setAccessible(true)
field.setAccessible(true);
// 获取Unsafe对象
unsafe = (Unsafe) field.get(null);

CAS操作完整示例代码：

public class IaddTest {

    public int i = 0;
    private static Unsafe unsafe;
    private static long fieldOffset;

    static {
        try {
            // 通过反射获取theUnsafe属性
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            // theUnsafe是private的，设置setAccessible(true)
            field.setAccessible(true);
            // 获取Unsafe对象
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);

            // 获取属性i在内存中的实际地址
            fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(IaddTest.class.getField("i"));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void add(){
        int current;
        do {
            current = unsafe.getIntVolatile(this,fieldOffset);
        }while (!unsafe.compareAndSwapInt(this,fieldOffset,i,i+1));
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        IaddTest iaddTest = new IaddTest();

        for(int i=0;i<2;i++){       //创建两个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        iaddTest.add();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(2000L);//sleep两秒，等待两个线程任务全部执行完成
        System.out.println("i:" + iaddTest.i);
    }
}

执行结果：

正确输出20000。

3、原子类（Atomic）

原子类是jdk提供的一些进行原子操作的类，位于java.util.concurrent.atomic包中。

原子类的底层也是通过调用com.misc.Unsafe类中的CAS机制实现的。

使用时我们只需要创建一个原子类对象，并调用其中的方法即可保证代码的原子性。

public class IaddTest {

    AtomicInteger i = new AtomicInteger(0);

    public void add(){
        i.incrementAndGet();
    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        IaddTest iaddTest = new IaddTest();

        for(int i=0;i<2;i++){       //创建两个线程
            new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for(int i=0;i<10000;i++){
                        iaddTest.add();
                    }
                }
            }).start();
        }

        Thread.sleep(2000L);//sleep两秒，等待两个线程任务全部执行完成
        System.out.println("i:" + iaddTest.i);
    }
}

执行结果：

正确输出20000。