Java 中的原子是什麼？了解 Java 中的原子性和線程安全

1. Java 原子簡介

1.1 Java 中什麼是原子？

在 Java 中，java.util.concurrent.atomic 套件提供了一組支援對單一變數進行無鎖定線程安全程式設計的類別。這些類別統稱為原子變數。最常用的原子類包括 AtomicInteger 、 AtomicLong 、 AtomicBoolean 和 AtomicReference。

原子變數被設計為以原子方式更新，這意味著它們的操作（例如遞增、遞減或比較和設定值）作為單一不可分割的步驟執行。這確保沒有其他線程可以觀察處於中間狀態的變數。

範例：使用 AtomicInteger

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class AtomicExample {
    private AtomicInteger counter = new AtomicInteger(0);

    public void incrementCounter() {
        counter.incrementAndGet();
    }

    public int getCounter() {
        return counter.get();
    }

    public static void main(String[] args) {
        AtomicExample example = new AtomicExample();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(example::incrementCounter).start();
        }

        // Add some delay to ensure all threads complete
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final Counter Value: " + example.getCounter());
    }
}

在此範例中，AtomicInteger 用於維護一個計數器，該計數器可以由多個執行緒安全地遞增，而不會導致不一致。

1.2 原子性和線程安全

術語「原子性」是指一步完成的操作，不存在其他操作幹擾的可能性。在多執行緒上下文中，這意味著變數更新是作為全有或全無操作發生。對於常規基元類型，諸如增量 (i++) 之類的操作不是原子的，這意味著如果多個執行緒嘗試同時更新相同變量，可能會發生資料損壞。

範例：原始類型的非原子操作

public class NonAtomicExample {
    private int counter = 0;

    public synchronized void incrementCounter() {
        counter++;
    }

    public int getCounter() {
        return counter;
    }

    public static void main(String[] args) {
        NonAtomicExample example = new NonAtomicExample();

        for (int i = 0; i < 100; i++) {
            new Thread(example::incrementCounter).start();
        }

        // Add some delay to ensure all threads complete
        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final Counter Value: " + example.getCounter());
    }
}

即使應用了同步，這種方法也可能因線程爭用而導致效能瓶頸。然而，原子類透過使用低階 CPU 指令來避免這種情況，以確保原子性而不需要鎖定。

2. 原子和常規基元之間的差異

現在我們了解了原子變數是什麼以及它們如何發揮作用，讓我們探討它們在原子性和線程安全性方面與常規基元類型有何不同。

2.1 常規原語與原子中的原子性

常規基元，如 int 、 long 、 boolean 等，本質上不是原子的。對這些變數的操作（例如遞增或設定值）可能會被其他執行緒中斷，從而導致資料不一致或損壞。相反，原子變數確保這些操作作為單一、不間斷的步驟執行。

範例：原始類型的競爭條件

public class RaceConditionExample {
    private int counter = 0;

    public void incrementCounter() {
        counter++;
    }

    public static void main(String[] args) {
        RaceConditionExample example = new RaceConditionExample();

        for (int i = 0; i < 1000; i++) {
            new Thread(example::incrementCounter).start();
        }

        try {
            Thread.sleep(1000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }

        System.out.println("Final Counter Value: " + example.counter);
    }
}

在此範例中，由於競爭條件，最終計數器值可能不是 1000。多個執行緒可以同時存取和修改計數器，從而導致不可預測的結果。

2.2 常規原語與原子中的線程安全

線程安全是並發程式設計中的關鍵考慮因素。常規基元需要明確同步才能確保執行緒安全，這可能很麻煩且容易出錯。然而，原子本質上是線程安全的，因為它們提供內建的原子操作。

效能注意事項

由於取得和釋放鎖定的開銷，使用常規原語同步可能會導致效能瓶頸。另一方面，原子類提供了更有效率的解決方案，透過使用非阻塞演算法來實現無鎖的線程安全。

三、結論

Java 中的原子變數提供了一種強大而有效的方法來處理並發並確保資料一致性。它們在原子性和執行緒安全性方面與常規基元類型顯著不同，在多執行緒環境中提供了效能更高的解決方案。

透過理解原子的概念，你可以用Java寫出更安全、更有效率的並發程式碼。如果您有任何疑問或需要進一步說明，請隨時在下面發表評論！

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