Java 原子变量详解 | Baeldung中文网

1. 简介

简单来说，当涉及并发时，共享可变状态极易引发问题。如果对共享可变对象的访问管理不当，应用程序很快就会陷入难以检测的并发错误。

本文将回顾使用锁处理并发访问的传统方式，探讨锁机制存在的缺点，最后介绍原子变量作为替代方案。

2. 锁机制

先看这个类：

public class Counter {
    int counter; 
 
    public void increment() {
        counter++;
    }
}

在单线程环境下，这段代码完美运行；但一旦允许多个线程写入，结果就会变得不一致。

这是因为看似原子的 counter++ 操作，实际由三个步骤组成：获取值、递增、写回新值。

如果两个线程同时尝试获取并更新值，可能导致更新丢失。

管理对象访问的常见方式是使用锁。通过在 increment 方法签名上添加 synchronized 关键字实现（关于锁与同步的更多细节可参考：Java Synchronized 关键字指南）：

public class SafeCounterWithLock {
    private int counter;
 
    public synchronized void increment() {
        counter++;
    }
}

使用锁确实解决了问题，但性能会受损。

当多个线程尝试获取锁时，只有一个线程能成功，其余线程会被阻塞或挂起。

线程挂起和恢复的过程开销极大，严重影响系统整体效率。

在像计数器这样的小程序中，上下文切换耗时可能远超实际代码执行时间，导致整体效率大幅下降。

3. 原子操作

并发编程领域有一个研究方向专注于创建非阻塞算法。这些算法利用底层原子机器指令（如比较并交换 CAS）来保证数据完整性。

典型的 CAS 操作包含三个操作数：

操作的内存位置（M）
变量的当前预期值（A）
需要设置的新值（B）

CAS 操作会原子性地将 M 的值更新为 B，但前提是 M 的当前值必须等于 A，否则不执行任何操作。

无论是否成功，都会返回 M 的当前值。这相当于将"获取值-比较值-更新值"三个步骤合并为单个机器级指令。

当多个线程通过 CAS 尝试更新同一值时，只有一个线程会成功并更新值。但与锁机制不同，其他线程不会被挂起；它们只是被告知更新失败。线程可以继续执行后续任务，完全避免了上下文切换。

另一个副作用是核心程序逻辑变得更复杂。因为我们需要处理 CAS 操作失败的情况：可以不断重试直到成功，也可以根据业务场景选择放弃操作。

4. Java 中的原子变量

Java 中最常用的原子变量类包括：

AtomicInteger
AtomicLong
AtomicBoolean
AtomicReference

它们分别表示可原子更新的 int、long、boolean 和对象引用。这些类暴露的核心方法有：

get() – 从内存获取值，确保其他线程的修改可见；等效于读取 volatile 变量
incrementAndGet() – 原子性地将当前值加一
set() – 将值写入内存，确保对其他线程可见；等效于写入 volatile 变量
lazySet() – 最终将值写入内存，可能与后续相关内存操作重排序。典型场景是：为垃圾回收而置空不再访问的引用。通过延迟 volatile 写入可获得更好性能
compareAndSet() – 如第 3 节所述，成功返回 true，否则返回 false
weakCompareAndSet() – 如第 3 节所述，但内存语义更弱：不建立 happens-before 顺序，可能看不到其他变量的更新。自 Java 9 起，该方法在所有原子实现中已废弃，改用 weakCompareAndSetPlain()。原方法内存效果是 plain（普通）但名称暗示 volatile 效果，为避免混淆，废弃该方法并新增了四种不同内存效果的方法，如 weakCompareAndSetPlain() 或 weakCompareAndSetVolatile()

使用 AtomicInteger 实现的线程安全计数器示例如下：

public class SafeCounterWithoutLock {
    private final AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);
    
    int getValue() {
        return counter.get();
    }
    
    void increment() {
        counter.incrementAndGet();
    }
}

可以看到，incrementAndGet() 方法相当于一个同步代码块：获取当前值、加一、赋值给计数器变量，最后存储到内存中。

5. 总结

本教程介绍了处理并发的替代方案，可避免锁机制带来的性能问题。我们还探讨了 Java 原子变量类暴露的核心方法。

所有示例代码均可在 GitHub 获取。

要了解更多内部使用非阻塞算法的类，可参考 ConcurrentMap 指南。

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1. 简介

2. 锁机制

3. 原子操作

4. Java 中的原子变量

5. 总结