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一、引言

原子（atom）本意是“不能被進(jìn)一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意為”不可被中斷的一個(gè)或一系列操作” 。在多處理器上實(shí)現(xiàn)原子操作就變得有點(diǎn)復(fù)雜。本文讓我們一起來(lái)聊一聊在Inter處理器和Java里是如何實(shí)現(xiàn)原子操作的。

二、術(shù)語(yǔ)定義

三、處理器如何實(shí)現(xiàn)原子操作

32位IA-32處理器使用基于對(duì)緩存加鎖或總線加鎖的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)多處理器之間的原子操作。

處理器自動(dòng)保證基本內(nèi)存操作的原子性
　　首先處理器會(huì)自動(dòng)保證基本的內(nèi)存操作的原子性。處理器保證從系統(tǒng)內(nèi)存當(dāng)中讀取或者寫(xiě)入一個(gè)字節(jié)是原子的，意思是當(dāng)一個(gè)處理器讀取一個(gè)字節(jié)時(shí)，其他處理器不能訪問(wèn)這個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址。奔騰6和最新的處理器能自動(dòng)保證單處理器對(duì)同一個(gè)緩存行里進(jìn)行16/32/64位的操作是原子的，但是復(fù)雜的內(nèi)存操作處理器不能自動(dòng)保證其原子性，比如跨總線寬度，跨多個(gè)緩存行，跨頁(yè)表的訪問(wèn)。但是處理器提供總線鎖定和緩存鎖定兩個(gè)機(jī)制來(lái)保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性。

使用總線鎖保證原子性
　　第一個(gè)機(jī)制是通過(guò)總線鎖保證原子性。如果多個(gè)處理器同時(shí)對(duì)共享變量進(jìn)行讀改寫(xiě)（i++就是經(jīng)典的讀改寫(xiě)操作）操作，那么共享變量就會(huì)被多個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行操作，這樣讀改寫(xiě)操作就不是原子的，操作完之后共享變量的值會(huì)和期望的不一致，舉個(gè)例子：如果i=1,我們進(jìn)行兩次i++操作，我們期望的結(jié)果是3，但是有可能結(jié)果是2。如下圖
　　

使用緩存鎖保證原子性
第二個(gè)機(jī)制是通過(guò)緩存鎖定保證原子性。在同一時(shí)刻我們只需保證對(duì)某個(gè)內(nèi)存地址的操作是原子性即可，但總線鎖定把CPU和內(nèi)存之間通信鎖住了，這使得鎖定期間，其他處理器不能操作其他內(nèi)存地址的數(shù)據(jù)，所以總線鎖定的開(kāi)銷比較大，最近的處理器在某些場(chǎng)合下使用緩存鎖定代替總線鎖定來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

頻繁使用的內(nèi)存會(huì)緩存在處理器的L1，L2和L3高速緩存里，那么原子操作就可以直接在處理器內(nèi)部緩存中進(jìn)行，并不需要聲明總線鎖，在奔騰6和最近的處理器中可以使用“緩存鎖定”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的原子性。所謂“緩存鎖定”就是如果緩存在處理器緩存行中內(nèi)存區(qū)域在LOCK操作期間被鎖定，當(dāng)它執(zhí)行鎖操作回寫(xiě)內(nèi)存時(shí)，處理器不在總線上聲言LOCK＃信號(hào)，而是修改內(nèi)部的內(nèi)存地址，并允許它的緩存一致性機(jī)制來(lái)保證操作的原子性，因?yàn)榫彺嬉恢滦詸C(jī)制會(huì)阻止同時(shí)修改被兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)，當(dāng)其他處理器回寫(xiě)已被鎖定的緩存行的數(shù)據(jù)時(shí)會(huì)起緩存行無(wú)效，在例1中，當(dāng)CPU1修改緩存行中的i時(shí)使用緩存鎖定，那么CPU2就不能同時(shí)緩存了i的緩存行。

但是有兩種情況下處理器不會(huì)使用緩存鎖定。

第一種情況是：當(dāng)操作的數(shù)據(jù)不能被緩存在處理器內(nèi)部，或操作的數(shù)據(jù)跨多個(gè)緩存行（cache line），則處理器會(huì)調(diào)用總線鎖定。

第二種情況是：有些處理器不支持緩存鎖定。對(duì)于Inter486和奔騰處理器,就算鎖定的內(nèi)存區(qū)域在處理器的緩存行中也會(huì)調(diào)用總線鎖定。

以上兩個(gè)機(jī)制我們可以通過(guò)Inter處理器提供了很多LOCK前綴的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。比如位測(cè)試和修改指令BTS，BTR，BTC，交換指令XADD，CMPXCHG和其他一些操作數(shù)和邏輯指令，比如ADD（加），OR（或）等，被這些指令操作的內(nèi)存區(qū)域就會(huì)加鎖，導(dǎo)致其他處理器不能同時(shí)訪問(wèn)它。

四、JAVA如何實(shí)現(xiàn)原子操作

在java中可以通過(guò)鎖和循環(huán)CAS的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作。

使用循環(huán)CAS實(shí)現(xiàn)原子操作
JVM中的CAS操作正是利用了上一節(jié)中提到的處理器提供的CMPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的。自旋CAS實(shí)現(xiàn)的基本思路就是循環(huán)進(jìn)行CAS操作直到成功為止，以下代碼實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于CAS線程安全的計(jì)數(shù)器方法safeCount和一個(gè)非線程安全的計(jì)數(shù)器count。

package com.dxz.cas; import java.util.ArrayList; import java.util.List; import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class Counter {private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);private int i = 0;public static void main(String[] args) {final Counter cas = new Counter();List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>(600);long start = System.currentTimeMillis();for (int j = 0; j < 100; j++) {Thread t = new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() {for (int i = 0; i < 10000; i++) {cas.count();cas.safeCount();}}});ts.add(t);}for (Thread t : ts) {t.start();}// 等待所有線程執(zhí)行完成for (Thread t : ts) {try {t.join();} catch (InterruptedException e) {e.printStackTrace();}}System.out.println(cas.i);System.out.println(cas.atomicI.get());System.out.println("use time:"+ (System.currentTimeMillis() - start));}/*** 非線程安全計(jì)數(shù)器*/private void count() {i++;}/*** 使用CAS實(shí)現(xiàn)線程安全計(jì)數(shù)器*/private void safeCount() {for (;;) {int i = atomicI.get();boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);if (suc) {break;}}} } //結(jié)果 995672 1000000 use time:57

從Java1.5開(kāi)始JDK的并發(fā)包里提供了一些類來(lái)支持原子操作，如AtomicBoolean（用原子方式更新的 boolean 值），AtomicInteger（用原子方式更新的 int 值），AtomicLong（用原子方式更新的 long 值），這些原子包裝類還提供了有用的工具方法，比如以原子的方式將當(dāng)前值自增1和自減1。

在Java并發(fā)包中有一些并發(fā)框架也使用了自旋CAS的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作，比如LinkedTransferQueue類的Xfer方法。CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問(wèn)題。ABA問(wèn)題，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大和只能保證一個(gè)共享變量的原子操作。

• ABA問(wèn)題。

因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候檢查下值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它的值沒(méi)有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了。ABA問(wèn)題的解決思路就是使用版本號(hào)。在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加一，那么A－B－A 就會(huì)變成1A-2B－3A。從Java1.5開(kāi)始JDK的atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類的compareAndSet方法作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用，并且當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值。

ABA可能出現(xiàn)的后果：

觀察上圖，我們初始化了一個(gè)單向的鏈表結(jié)構(gòu)，其中Header指向鏈表頭節(jié)點(diǎn)，其中A節(jié)點(diǎn)的下一節(jié)點(diǎn)為B節(jié)點(diǎn)。 這個(gè)時(shí)候我們希望通過(guò)線程1，通過(guò)CAS操作將鏈表中的B節(jié)點(diǎn)放入頭節(jié)點(diǎn)中,且B的next節(jié)點(diǎn)為A節(jié)點(diǎn)。具體為代碼如下所示：

if(header.compareAndSet(A,B)){B.next = A;A.next = null; }

當(dāng)線程1已經(jīng)拿到header.compareAndSet(A,B)的結(jié)果正準(zhǔn)備執(zhí)行下一行代碼時(shí)，突然線程2介入，將A、B兩個(gè)節(jié)點(diǎn)移除，同時(shí)重新將A、C、D三個(gè)節(jié)點(diǎn)依次加入鏈表中。當(dāng)線程2操作完畢的時(shí)候，這個(gè)時(shí)候線程1接著執(zhí)行。線程1在執(zhí)行的時(shí)候，會(huì)檢查當(dāng)前鏈表中A是否為頭節(jié)點(diǎn)，當(dāng)前情況A是頭節(jié)點(diǎn)（通過(guò)線程2添加的）。那么就會(huì)執(zhí)行剩余代碼也就是（B.next =A, A.next = null)。那么通過(guò)線程1操作完成后，就出現(xiàn)上圖中當(dāng)前鏈表中C、D兩個(gè)節(jié)點(diǎn)丟失的情況。所以為了解決ABA問(wèn)題，Java提供AtomicStampedReference來(lái)解決。

public boolean compareAndSet(V expectedReference,//預(yù)期引用V newReference,//更新后的引用int expectedStamp, //預(yù)期標(biāo)志int newStamp //更新后的標(biāo)志 )

• 循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷大
  自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令那么效率會(huì)有一定的提升，pause指令有兩個(gè)作用，第一它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline）,使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源，延遲的時(shí)間取決于具體實(shí)現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時(shí)間是零。第二它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突（memory order violation）而引起CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率。
• 只能保證一個(gè)共享變量的原子操作
  當(dāng)對(duì)一個(gè)共享變量執(zhí)行操作時(shí)，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來(lái)保證原子操作，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖，或者有一個(gè)取巧的辦法，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作。比如有兩個(gè)共享變量i＝2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來(lái)操作ij。從Java1.5開(kāi)始JDK提供了AtomicReference類來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，你可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作。
  為什么CAS只能保證一個(gè)共享變量的原子操作？

使用鎖機(jī)制實(shí)現(xiàn)原子操作
鎖機(jī)制保證了只有獲得鎖的線程能夠操作鎖定的內(nèi)存區(qū)域。JVM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了很多種鎖機(jī)制，有偏向鎖，輕量級(jí)鎖和互斥鎖，有意思的是除了偏向鎖，JVM實(shí)現(xiàn)鎖的方式都用到的循環(huán)CAS，當(dāng)一個(gè)線程想進(jìn)入同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS的方式來(lái)獲取鎖，當(dāng)它退出同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS釋放鎖。詳細(xì)說(shuō)明可以參見(jiàn)文章Java SE1.6中的Synchronized。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的原子操作的实现原理（锁和循环CAS）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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