原子操作的实现原理

原子（atom）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意为”不可被中断的一个或一系列操作” 。

我们一起来聊一聊在Inter处理器和Java里是如何实现原子操作的。

术语定义

• Cache line（缓存行）
  缓存的最小单位
• Compare and Swap（比较并交换）
  CAS操作需要输入两个数值，一个旧值（期望操作前的值）和一个新值，在操作期间先比较下在旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。
• CPU pipeline（CPU流水线）
  CPU流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线，在CPU中由5 ~ 6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5~6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。
• Memory order violation（内存顺序冲突）
  内存顺序冲突一般是由假共享引起，假共享是指多个CPU同时修改同一个缓存行的不同部分而引起其中一个CPU的操作无效，当出现这个内存顺序冲突时，CPU必须清空流水线。

处理器如何保证原子性

32位IA-32处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作

处理器自动保证基本内存操作的原子性

首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存当中读取或者写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字节的内存地址。奔腾6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器不能自动保证其原子性，比如跨总线宽度，跨多个缓存行，跨页表的访问。但是处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。

使用总线锁保证原子性

第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写（i++就是经典的读改写操作）操作，那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致，举个例子：如果i=1,我们进行两次i++操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2。如下图

image.png

原因是有可能多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加一操作，然后分别写入系统内存当中。那么想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。

处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK＃信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。

使用缓存锁保证原子性

“缓存锁定”指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中，并且在Lock操作期间被锁定，那么当它执行锁操作回写到内存时，处理器不需要在总线上声言LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，通过缓存一致性机制保证操作的原子性。
例外：当操作的数据不能被缓存在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行，处理器会调用总线锁定。

AVA如何实现原子操作

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。
CAS

jvm中的CAS操作是基于处理器的CMPXCHG指令实现的，CAS存在三个问题：

ABA问题
循环时间长开销大
只能保证一个共享变量的原子操作

参考文章

原子操作的实现原理
聊聊并发（五）原子操作的实现原理