Java并发13:并发三特性-原子性定义、原子性问题与原子性保证技术
[超级链接:Java并发学习系列-绪论]
在Java并发编程中,如果要保证代码的安全性,则必须保证代码的原子性、可见性和有序性。
在 Java并发12:并发三特性-原子性、可见性和有序性概述及问题示例中,对并发中的三个特性(原子性、可见性和有序性)进行了初步学习。
本章主要就Java中保障原子性的技术进行更加全面的学习。
1.整体回顾
- 原子性定义:一个或多个操作,要么全部执行且在执行过程中不被任何因素打断,要么全部不执行。
- Java自带原子性:对基本数据类型的变量的读取和赋值操作是原子性操作。
2.原子性问题
由上面的章节已知,不采取任何的原子性保障措施的自增操作并不是原子性的。
下面的代码实现了一个自增器(不是原子性的)。
/*** <p>原子性示例:不是原子性</p>** @author hanchao 2018/3/10 14:58**/
static class Increment {private int count = 1;public void increment() {count++;}public int getCount() {return count;}
}
下面的代码展示了在多线程环境中,调用此自增器进行自增操作。
int type = 0;//类型
int num = 50000;//自增次数
int sleepTime = 5000;//等待计算时间
int begin;//开始的值
Increment increment;
//不进行原子性保护的大范围操作
increment = new Increment();
begin = increment.getCount();
LOGGER.info("Java中普通的自增操作不是原子性操作。");
LOGGER.info("当前运行类:" +increment.getClass().getSimpleName() + ",count的初始值是:" + increment.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {new Thread(() -> {increment.increment();}).start();
}
//等待足够长的时间,以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增,count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment.getCount());
某次运行结果:
2018-03-17 22:52:23 INFO ConcurrentAtomicityDemo:132 - Java中普通的自增操作不是原子性操作。
2018-03-17 22:52:23 INFO ConcurrentAtomicityDemo:133 - 当前运行类:Increment,count的初始值是:1
2018-03-17 22:52:33 INFO ConcurrentAtomicityDemo:141 - 进过50000次自增,count应该 = 50001,实际count = 49999
通过观察结果,发现程序确实存在原子性问题。
3.原子性技术保障
在Java中提供了多种原子性保障措施,这里主要涉及三种:
- 通过synchronized关键字定义同步代码块或者同步方法保障原子性。
- 通过Lock接口保障原子性。
- 通过Atomic类型保障原子性。
3.1.synchronized关键字
对Increment类进行扩展:
/*** <p>原子性示例:通过synchronized保证代码块的原子性</p>** @author hanchao 2018/3/10 15:07**/
static class SynchronizedIncrement extends Increment {/*** <p>添加关键字synchronized,使之成为同步方法</p>** @author hanchao 2018/3/10 15:12**/@Overridepublic synchronized void increment() {super.count++;}
}
在多线程环境中进行SynchronizedIncrement 的自增:
//synchronized关键字能够保证原子性(代码块锁,多线程操作某一对象时,在某个代码块内只能单线程执行)
increment = new SynchronizedIncrement();
begin = increment.getCount();
LOGGER.info("可以通过synchronized关键字保障代码的原子性");
LOGGER.info("当前运行类:" +increment.getClass().getSimpleName() + ",count的初始值是:" + increment.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {new Thread(() -> {increment.increment();}).start();
}
//等待足够长的时间,以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增,count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment.getCount());
运行结果(多次):
2018-03-18 00:41:30 INFO ConcurrentAtomicityDemo:147 - 可以通过synchronized关键字保障代码的原子性
2018-03-18 00:41:30 INFO ConcurrentAtomicityDemo:148 - 当前运行类:SynchronizedIncrement,count的初始值是:1
2018-03-18 00:41:40 INFO ConcurrentAtomicityDemo:156 - 进过50000次自增,count应该 = 50001,实际count = 50001
通过多次运行,发现运行结果一致,所以可以确定synchronized关键字能够保证代码的原子性。
3.2.Lock接口
对Increment类进行扩展:
/**
* <p>原子性示例:通过Lock接口保证指定范围代码的原子性</p>
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:14
**/
static class LockIncrement extends Increment {//定义个读写锁:锁内运行多线程读,单线程写private static final ReentrantReadWriteLock readWriteLock = new ReentrantReadWriteLock(true);/*** <p>运用读写所重写方法</p>** @author hanchao 2018/3/10 15:13**/@Overridepublic void increment() {//写锁 加锁readWriteLock.writeLock().lock();try {//开始写super.count++;} finally {//将解锁放在finally块中,保证必然执行,防止死锁readWriteLock.writeLock().unlock();}}
}
在多线程环境中进行LockIncrement的测试:
//通过Lock接口保证原子性操作
increment = new LockIncrement();
begin = increment.getCount();
LOGGER.info("可以通过Lock接口保证代码的原子性");
LOGGER.info("当前运行类:" +increment.getClass().getSimpleName() + ",count的初始值是:" + increment.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {new Thread(() -> {increment.increment();}).start();
}
//等待足够长的时间,以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增,count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment.getCount());
运行结果(多次):
2018-03-18 10:12:12 INFO ConcurrentAtomicityDemo:163 - 可以通过Lock接口保证代码的原子性
2018-03-18 10:12:12 INFO ConcurrentAtomicityDemo:164 - 当前运行类:LockIncrement,count的初始值是:1
2018-03-18 10:12:29 INFO ConcurrentAtomicityDemo:172 - 进过50000次自增,count应该 = 50001,实际count = 50001
通过多次运行,发现运行结果一致,所以可以确定Lock接口能够保证代码的原子性。
3.3.Atomic类型
对Increment类进行扩展:
/**
* <p>原子性示例:通过Atomic类型保证类型的原子性</p>
*
* @author hanchao 2018/3/10 15:19
**/
static class AtomicIncrement {private AtomicInteger count = new AtomicInteger(1);/*** <p>无需其他处理,直接自增即可</p>** @author hanchao 2018/3/10 15:21**/public void increment() {count.getAndIncrement();}public AtomicInteger getCount() {return count;}
}
在多线程环境中进行AtomicIncrement的测试:
//通过Atomic变量保证变量操作的原子性
AtomicIncrement increment1 = new AtomicIncrement();
begin = increment1.getCount().get();
LOGGER.info("可以通过Atomic类型保证变量的原子性");
LOGGER.info("当前运行类:" +increment1.getClass().getSimpleName() + ",count的初始值是:" + increment1.getCount());
for (int i = 0; i < num; i++) {new Thread(() -> {increment1.increment();}).start();
}
//等待足够长的时间,以便所有的线程都能够运行完
Thread.sleep(sleepTime);
LOGGER.info("进过" + num + "次自增,count应该 = " + (begin + num) + ",实际count = " + increment1.getCount());
运行结果(多次):
2018-03-18 10:14:37 INFO ConcurrentAtomicityDemo:178 - 可以通过Atomic类型保证变量的原子性
2018-03-18 10:14:37 INFO ConcurrentAtomicityDemo:179 - 当前运行类:AtomicIncrement,count的初始值是:1
2018-03-18 10:14:48 INFO ConcurrentAtomicityDemo:187 - 进过50000次自增,count应该 = 50001,实际count = 50001
通过多次运行,发现运行结果一致,所以可以确定Atomic类型能够保证代码的原子性。
4.总结
经验证,以下三种措施,可以保证Java代码在运行时的原子性:
- synchronized关键字
- Lock接口
- Atomic类型
并发三特性总结
特性 | volatile关键字 | synchronized关键字 | Lock接口 | Atomic变量 |
---|---|---|---|---|
原子性 | 无法保障 | 可以保障 | 可以保障 | 可以保障 |
可见性 | 可以保障 | 可以保障 | 可以保障 | 可以保障 |
有序性 | 一定程度保障 | 可以保障 | 可以保障 | 无法保障 |
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