Java代碼在編譯后會(huì)變成Java字節(jié)碼票从，字節(jié)碼被類加載器加載到JVM里吹零，JVM執(zhí)行字節(jié)碼罩抗，最終需要轉(zhuǎn)化為匯編指令在CPU上執(zhí)行，Java中所使用的并發(fā)機(jī)制依賴于JVM的實(shí)現(xiàn)和CPU的指令灿椅。

原子操作的實(shí)現(xiàn)原理

原子（atomic）本意是“不能被進(jìn)一步分割的最小粒子”套蒂，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)雜茫蛹。

1.術(shù)語定義

2.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實(shí)現(xiàn)多處理器之間的原子操作。首先處理器會(huì)自動(dòng)保證基本的內(nèi)存操作的原子性押搪。處理器保證從系統(tǒng)內(nèi)存中讀取或?qū)懭胍粋€(gè)字節(jié)是原子的树酪，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這個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址大州。Pentium 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位的操作是原子的续语，但是復(fù)雜的內(nèi)存操作處理器是不能自動(dòng)保證其原子性的，比如跨總線寬度厦画、跨多個(gè)緩存行和跨頁表的訪問疮茄。但是滥朱，處理器提供總線鎖定和緩存鎖定兩個(gè)機(jī)制來保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性。

（1）使用總線鎖保證原子性

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

228.png

原因可能是多個(gè)處理器同時(shí)從各自的緩存中讀取變量i丰嘉，分別進(jìn)行加1操作，然后分別寫入系統(tǒng)內(nèi)存中嚷缭。那么饮亏，想要保證讀寫改共享變量的操作是原子的，就必須保證CPU1讀改寫共享變量的時(shí)候阅爽，CPU2不能操作緩存了該共享變量?jī)?nèi)存地址的緩存路幸。

處理器使用總線鎖就是來解決這個(gè)問題的。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個(gè)LOCK#信號(hào)付翁，當(dāng)一個(gè)處理器在總線上輸出此信號(hào)時(shí)简肴，其他處理器的請(qǐng)求將被阻塞住，那么該處理器可以獨(dú)占共享內(nèi)存百侧。

（2）使用緩存鎖保證原子性

第二個(gè)機(jī)制是通過緩存鎖定來保證原子性砰识。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佣渴，但總線鎖定把CPU和內(nèi)存之間的通信鎖住了辫狼，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)辛润，所以總線鎖定的開銷比較大膨处，目前處理器在某些場(chǎng)合下使用緩存鎖定代替總線鎖定來進(jìn)行優(yōu)化。

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)部砂竖，或操作的數(shù)據(jù)跨多個(gè)緩存行（cache line）時(shí)真椿，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乎澄。對(duì)于Inter 486和Pentium處理器突硝，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。

3.Java如何實(shí)現(xiàn)原子操作

在Java中可以通過鎖和循環(huán)CAS的方式來實(shí)現(xiàn)原子操作三圆。

（1）使用循環(huán)CAS實(shí)現(xiàn)原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了處理器提供的MPXCHG指令實(shí)現(xiàn)的狞换。自旋CAS實(shí)現(xiàn)的基本思路就是循環(huán)進(jìn)行CAS操作直到成功為止避咆，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。

private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
private int i = 0;
public static void main(Stirng[] 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(){
        @Override
        public void run(){
            for(int i = 0; i < 1000; 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.pritnln(cas.atomicI.get());
    System.out.pritnln(System.currentTimeMillis() - start);
}
//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;
        }
    }
}
//非線程安全計(jì)數(shù)器
private void ocunt(){
    i++;
}
}

（2）CAS實(shí)現(xiàn)原子操作的三大問題

在Java并發(fā)包中有一些并發(fā)框架也使用了自旋CAS的方式來實(shí)現(xiàn)原子操作修噪，比如LinkedTransferQueue類的Xfer方法查库。CAS雖然很高效地解決了原子操作，但是CAS仍然存在三大問題黄琼。

1)ABA問題樊销。因?yàn)镃AS需要在操作值地時(shí)候，檢查值有沒有發(fā)生變化脏款，如果沒有發(fā)生變化則更新围苫，但是如果一個(gè)值原來是A，變成了B撤师，又變成了A剂府，那么使用CAS進(jìn)行檢查時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)它地值沒有發(fā)生變化，但是實(shí)際上卻變化了剃盾。ABA問題地解決思路就是使用版本號(hào)腺占。在變量前面追加上版本號(hào)，每次變量更新地時(shí)候把版本號(hào)加1痒谴，那么A->B->A就會(huì)變成1A->2B->3A衰伯。從Java1.5開始，JDK地Atomic包里提供了一個(gè)類AtomicStampeReference來解決ABA問題积蔚。這個(gè)類地comareAndSet方法地作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用意鲸，并且檢查當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志，如果全部相等尽爆，則以源自方式將該引用和該標(biāo)志地值設(shè)置為給定的更新值怎顾。

2)循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大。自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功教翩，會(huì)給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷杆勇。如果JVM能支持處理器提供的pause指令，那么效率會(huì)有一定的提示饱亿。

3)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)闰靴，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來保證原子操作彪笼，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)，循環(huán)CAS就無法保證操作的原子性蚂且，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖配猫。

（3）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才能夠操作鎖定的內(nèi)存區(qū)域。JVM內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了很多種鎖機(jī)制杏死，有偏向鎖泵肄、輕量級(jí)鎖和互斥鎖捆交。除了偏向鎖，JVM實(shí)現(xiàn)鎖的方式都用了循環(huán)CAS腐巢，即當(dāng)一個(gè)線程想進(jìn)入同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS的方式來獲取鎖品追，當(dāng)它退出同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS釋放鎖。