Java并发编程中的原子性与锁机制

### Java并发编程中的原子性与锁机制 #### 1. 并发集合与原子性 在Java并发编程中，`ConcurrentHashMap`是一个重要的并发集合。它返回的迭代器是弱一致性的，而非快速失败的。这意味着在迭代过程中，它能容忍并发修改，遍历的是迭代器创建时的元素，并且可能（但不保证）反映迭代器创建后集合的修改。同时，为了性能考虑，`ConcurrentHashMap.size()`和`ConcurrentHashMap.isEmpty()`等方法允许返回近似结果，因此在需要精确结果的代码中应避免依赖这些返回值。 如果未能确保多个操作作为一个原子操作执行，在多线程应用中可能会导致竞态条件。以下是相关规则的风险评估表格： | 规则 | 严重程度 | 可能性 | 修复成本 | 优先级 | 级别 | | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | ---- | | VNA03 - J | 低 | 可能 | 中等 | P4 | L3 | #### 2. 链式方法调用的原子性 方法链式调用是一种方便的机制，允许在单个语句中对同一对象进行多次方法调用。然而，尽管链式调用中的每个方法可能是原子的，但整个链式调用本身是非原子的。因此，调用链式方法的代码必须提供足够的锁来保证整个调用链是原子的。 ##### 2.1 非合规代码示例 以下是一个使用JavaBeans模式的非线程安全的代码示例： ```java final class USCurrency { // Change requested, denomination (optional fields) private int quarters = 0; private int dimes = 0; private int nickels = 0; private int pennies = 0; public USCurrency() {} // Setter methods public USCurrency setQuarters(int quantity) { quarters = quantity; return this; } public USCurrency setDimes(int quantity) { dimes = quantity; return this; } public USCurrency setNickels(int quantity) { nickels = quantity; return this; } public USCurrency setPennies(int quantity) { pennies = quantity; return this; } } // Client code: class exampleClientCode { private final USCurrency currency = new USCurrency(); // ... public exampleClientCode() { Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { currency.setQuarters(1).setDimes(1); } }); t1.start(); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { currency.setQuarters(2).setDimes(2); } }); t2.start(); //... } } ``` 在这个示例中，由于JavaBeans模式不是线程安全的，当对象被并发修改时，可能会导致对象状态不一致。 ##### 2.2 合规解决方案 使用Builder模式可以确保对象创建的线程安全性和原子性： ```java final class USCurrency { private final int quarters; private final int dimes; private final int nickels; private final int pennies; public USCurrency(Builder builder) { this.quarters = builder.quarters; this.dimes = builder.dimes; this.nickels = builder.nickels; this.pennies = builder.pennies; } // Static class member public static class Builder { private int quarters = 0; private int dimes = 0; private int nickels = 0; private int pennies = 0; public static Builder newInstance() { return new Builder(); } private Builder() {} // Setter methods public Builder setQuarters(int quantity) { this.quarters = quantity; return this; } public Builder setDimes(int quantity) { this.dimes = quantity; return this; } public Builder setNickels(int quantity) { this.nickels = quantity; return this; } public Builder setPennies(int quantity) { this.pennies = quantity; return this; } public USCurrency build() { return new USCurrency(this); } } } // Client code: class exampleClientCode { private volatile USCurrency currency; // ... public exampleClientCode() { Thread t1 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { currency = USCurrency.Builder.newInstance(). setQuarters(1).setDimes(1).build(); } }); t1.start(); Thread t2 = new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { currency = USCurrency.Builder.newInstance(). setQuarters(2).setDimes(2).build(); } }); t2.start(); //... } } ``` Builder模式通过`newInstance()`方法获取Builder实例，使用setter方法设置可选参数，最后调用`build()`方法完成对象构建，使`USCurrency`类成为不可变类，从而保证线程安全。 #### 3. 64位值读写的原子性 J