原子操作的原理和实现

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相关术语

处理器如何实现原子操作

Java如何实现原子操作

循环CAS实现原子操作

使用锁机制实现原子操作

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原子操作是指一个或者多个不可再分割的操作。这些操作的执行顺序不能被打乱。

相关术语

缓存行：缓存的最小操作单位

（面试题、重点）比较并且交换（CAS）：CAS操作（CAS无锁状态下安全更新数据）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。我们一个线程往回更新的时候会锁总线，其他线程即使切换到也不能传回数据，所有可以在多线程下保证数据的正确性（这个表明我们不能自己写一个cas，需要调用Java核心的Java方法来使用操作系统的cas）

cas有个问题，对中间的感知不清楚（ABA问题）

CPU流水线：每个人只做一件事，没有切换时间，提高总体效率（假如共10个任务，每个任务5个基本指令，共50个基本指令。流水线就会先将所有任务中的相同的基本指令一起执行完之后，再更换线路来执行其他相同的指令，这样减少了线路的切换，而线路切换需要的时间很长）（流水线可能导致顺序错乱问题，在同一个线程中，代码的底层执行顺序可能是乱的，可能执行顺序是先第二行再第一行）

内存顺序冲突：内存顺序冲突一般是由假共享引起的，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

处理器如何实现原子操作

处理器通过总线锁和缓存锁的方式来实现原子操作

总线锁：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

缓存锁：对应一个内存的不同线程的高速缓存，在操作一个时，其他缓存行全部锁住

跨总线、跨缓存行、跨页:

cpu和内存之间的总线宽度大约36~41位（36~41根导线），单个导线同一时刻传一个电信号；一个缓存行64比特，一个内存页4kb，跨总线、跨缓存行、跨页指的是数据的大小超过单个大小（跨导线可能是long类型的多于41位；缓存行可能是一个批次要处理的数据，不是一个变量；页可能是一个超过4kb大小的综合数据）

锁住总线所有的线程都不能返回，锁缓存与缓存相关的不能返回，但缓存锁有些处理器不支持

Java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。

循环CAS实现原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止。Java本身实现不了CAS操作，必须依托于操作系统内核

CAS概述

CAS的全称是 Compare-and-Swap，也就是比较并交换，是并发编程中一种常用的算法。它包含了三个参数：V，A，B。其中，V表示要读写的内存位置，A表示旧的预期值，B表示新值。CAS指令执行时，当且仅当V的值等于预期值A时，才会将V的值设为B，如果V和A不同，说明可能是其他线程做了更新，那么当前线程就什么都不做，最后，CAS返回的是V的真实值。而在多线程的情况下，当多个线程同时使用CAS操作一个变量时，只有一个会成功并更新值，其余线程均会失败，但失败的线程不会被挂起，而是不断的再次循环重试。

从Java 1.5开始，JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，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）

线程安全,在多线程操作时，不需要我们手动加锁和各种同步控制，自己内部已经加了。

这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。

调用方法实现cas

（Java中的cas不仅存在于AtomicInteger一个类中，其他类也可以有）

CAS实现原子操作的三大问题

1.（面试题）ABA问题

如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。cas没有发现的话还会有线程根据最开始的A认为和旧值相同而接着返回

解决方法：加版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。

从Java 1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference，这个类的compareAndSet方法的作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

2.循环时间长开销大，自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销

3.只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量执行操作时，我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作，但是对多个共享变量操作时，循环CAS就无法保证操作的原子性，这个时候就可以用锁。也可以将多个共享变量变为一个变量（例：ij = 2a）

cas不加锁可以在多线程下保证了计算的正确率，但是在 高并发情况下，会有很多线程在不符合时重新计算（假如有10000个线程进行计算，一个返回后其余9999都需要重新获取数据计算），很大的损耗了cpu的性能。低并发可以，高并发性能不好

锁里面释放锁获取锁都是cas，是因为重量级锁获取锁的时候用cas获取，一旦失败的话停止cas，进入阻塞队列。不是无限的cas

使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有获得锁的线程才能够操作锁定的内存区域。JVM内部实现了很多种锁机制，有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是除了偏向锁，JVM同步块的时候使用循环CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入