本部落格系列是學習併發程式設計過程中的記錄總結。由於文章比較多，寫的時間也比較散，所以我整理了個目錄貼（傳送門），方便查閱。

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前言

之前的文章中講到，JMM是記憶體模型規範在Java語言中的體現。JMM保證了在多核CPU多執行緒程式設計環境下，對共享變數讀寫的原子性、可見性和有序性。

本文就具體來講講JMM是如何保證共享變數訪問的原子性的。

原子性問題

原子性是指：一個或多個操作，要麼全部執行且在執行過程中不被任何因素打斷，要麼全部不執行。

下面就是一段會出現原子性問題的程式碼：

public class AtomicProblem {

    private static Logger logger = LoggerFactory.getLogger(AtomicProblem.class);
    public static final int THREAD_COUNT = 10;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        BankAccount  sharedAccount = new BankAccount("account-csx",0.00);
        ArrayList<Thread> threads = new ArrayList<>();
        for (int i = 0; i < THREAD_COUNT; i++) {
            Thread thread = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    for (int j = 0; j < 1000 ; j++) {
                        sharedAccount.deposit(10.00);
                    }
                }
            });
            thread.start();
            threads.add(thread);
        }
        for (Thread thread : threads) {
            thread.join();
        }
        logger.info("the balance is:{}",sharedAccount.getBalance());
    }


    public static class BankAccount {
        private String accountName;

        public double getBalance() {
            return balance;
        }

        private double balance;

        public BankAccount(String accountName, double balance){
            this.accountName = accountName;
            this.balance =balance;
        }
        public double deposit(double amount){
            balance = balance + amount;
            return balance;
        }
        public double withdraw(double amount){
            balance = balance - amount;
            return balance;
        }
        public String getAccountName() {
            return accountName;
        }
        public void setAccountName(String accountName) {
            this.accountName = accountName;
        }
    }
}
 

上面的程式碼中開啟了10個執行緒，每個執行緒會對共享的銀行賬戶進行1000次存款操作，每次存款10塊，所以理論上最後銀行賬戶中的錢應該是10 * 1000 * 10 = 100000塊。我執行了多次上面的程式碼，很多次最後的結果的確是100000，但是也有幾次的結果並不是我們預期的。

14:40:25.981 [main] INFO com.csx.demo.spring.boot.concurrent.jmm.AtomicProblem - the balance is:98260.0

出現上面結果的原因就是因為下面的操作並不是原子操作，其中的balance是一個共享變數。在多執行緒環境下可能會被打斷。

balance = balance + amount;
 

上面的賦值操作被分為多步執行完成，下面簡單解析下兩個執行緒對balance同時加10的過程（模擬存款過程，假設balance的初始值還是0）

執行緒1從共享記憶體中載入balance的初始值0到工作記憶體
執行緒1對工作記憶體中的值加10

//此時執行緒1的CPU時間耗盡，執行緒2獲得執行機會

執行緒2從共享記憶體中載入balance的初始值到工作記憶體，此時balance的值還是0
執行緒2對工作記憶體中的值加10，此時執行緒2工作記憶體中的副本值是10
執行緒2將balance的副本值重新整理回共享記憶體，此時共享記憶體中balance的值是10

//執行緒2CPU時間片耗盡，執行緒1又獲得執行機會
執行緒1將工作記憶體中的副本值重新整理回共享記憶體，但是此時副本的值還是10，所以最後共享記憶體中的值也是10
 

上面簡單模擬了一個原子性問題導致程式最終結果出錯的過程。

JMM對原子性問題的保證

自帶原子性保證

在Java中，對基本資料型別的變數的讀取和賦值操作是原子性操作。

a = true;  //原子性
a = 5;     //原子性
a = b;     //非原子性，分兩步完成，第一步載入b的值，第二步將b賦值給a
a = b + 2; //非原子性，分三步完成
a ++;      //非原子性，分三步完成

synchronized

synchronized可以保證操作結果的原子性。synchronized保證原子性的原理也很簡單，因為synchronized可以防止多個執行緒併發執行一段程式碼。還是用上面存款的場景做列子，我們只需要將存款的方法設定成synchronized的就能保證原子性了。

 public synchronized double deposit(double amount){
     balance = balance + amount; //1
     return balance;
 }

加了synchronized後，當一個執行緒沒執行完deposit這個方法前，其他執行緒是不能執行這段程式碼的。其實我們發現synchronized並不能將上面的程式碼1程式設計原子性操作，上面的程式碼1還是有可能被中斷的，但是即使被中斷了其他執行緒也不能訪問共享變數balance，當之前被中斷的執行緒繼續執行時得到的結果還是正確的。

因此synchronized對原子性問題的保證是從最終結果上來保證的，也就是說它只保證最終的結果正確，中間操作的是否被打斷沒法保證。這個和CAS操作需要對比著看。

Lock鎖

public double deposit(double amount) {
    readWriteLock.writeLock().lock();
    try {
        balance = balance + amount;
        return balance;
    } finally {
        readWriteLock.writeLock().unlock();
    }
}

Lock鎖保證原子性的原理和synchronized類似，這邊不進行贅述了。

原子操作型別

public static class BankAccount {
    //省略其他程式碼
    private AtomicDouble balance;

    public double deposit(double amount) {
        return balance.addAndGet(amount);
    }
    //省略其他程式碼
} 

JDK提供了很多原子操作類來保證操作的原子性。原子操作類的底層是使用CAS機制的，這個機制對原子性的保證和synchronized有本質的區別。CAS機制保證了整個賦值操作是原子的不能被打斷的，而synchronized值能保證程式碼最後執行結果的正確性，也就是說synchronized能消除原子性問題對程式碼最後執行結果的影響。

簡單總結

在多執行緒程式設計環境下（無論是多核CPU還是單核CPU），對共享變數的訪問存在原子性問題。這個問題可能會導致程式錯誤的執行結果。JMM主要提供瞭如下的方式來保證操作的原子，保證程式不受原子性問題的影響。

• synchronized機制：保證程式最終正確性，是的程式不受原子性問題的影響；
• Lock介面：和synchronized類似；
• 原子操作類：底層使用CAS機制，能保證操作真正的原子性。