1.原子操作意為“不可被中斷的一個(gè)或一系列操作”樟插。再多處理器上實(shí)現(xiàn)原子操作就變的有點(diǎn)復(fù)雜绅作。

2.處理器如何實(shí)現(xiàn)原子操作郊楣？

? ? ? ?首先處理器能自動(dòng)保證基本的內(nèi)存操作是原子性的。表示當(dāng)一個(gè)處理器讀取一個(gè)字節(jié)時(shí)烁挟，其他處理器不能訪問(wèn)這個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址。但是對(duì)于復(fù)雜的內(nèi)存操作處理器是不能自動(dòng)保證其原子性的骨坑，比如跨總線寬度撼嗓、跨多個(gè)緩存行和跨頁(yè)表的訪問(wèn)。但是欢唾，處理器提供了總線鎖定和緩存鎖定兩個(gè)機(jī)制來(lái)保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性且警。

3.總線鎖定和緩存鎖定

? ? ?－1）使用總線鎖保證原子性

? ? ? 第一機(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)操作（i＋＋就是經(jīng)典的讀改寫(xiě)操作）礁遣，那么共享變量就會(huì)被多個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行操作斑芜，這樣讀改寫(xiě)操作就不是原子的，操作完之后的共享變量的值會(huì)和期望的不一致祟霍。舉個(gè)例子杏头，如果i＝1，我們進(jìn)行兩次i＋＋操作沸呐，我們期望的結(jié)果是3醇王，但是有可能結(jié)果是2。? ?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垂谢，分別進(jìn)行加1操作厦画，然后分別寫(xiě)入系統(tǒng)內(nèi)存中。那么滥朱，想要保證讀改寫(xiě)共享變量的操作是原子的根暑，就必須保證CPU1讀改寫(xiě)共享變量的時(shí)候，CPU2不能操作緩存了該共享變量?jī)?nèi)存地址的緩存徙邻。

? ? ? ?處理器使用總線鎖就是來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題的排嫌。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個(gè)LOCLK＃信號(hào)，當(dāng)一個(gè)處理器在總線上輸出此信號(hào)時(shí)缰犁，其他處理器的請(qǐng)求將被阻塞住淳地，那么該處理器可以獨(dú)占共享內(nèi)存。

? ? ?－2）使用緩存鎖保證原子性

? ? ? 第二機(jī)制是通過(guò)緩存鎖定來(lái)保證原子性帅容。在同一時(shí)刻颇象，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)存之間的通信鎖住了并徘，這使得鎖定期間遣钳，其它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(xiāo)比較大麦乞，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(lái)進(jìn)行優(yōu)化蕴茴。頻繁使用的內(nèi)存會(huì)緩存在處理器的L1劝评、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)行倦淀，并不需要聲明總線鎖蒋畜，在Pentium6和目前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”是指如果共享內(nèi)存如果被換存在處理器的緩存行中撞叽，并且在Lock操作期間被鎖定姻成，那么當(dāng)它執(zhí)行鎖操作回寫(xiě)到內(nèi)存時(shí)，處理器不在總線上聲言LOCK＃信號(hào)能扒，而是修改內(nèi)部的內(nèi)存地址佣渴，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)修改由兩個(gè)以上處理器緩存的內(nèi)存區(qū)域數(shù)據(jù)初斑，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)辛润，會(huì)使緩存行無(wú)效。

? ? ?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)部见秤，或操作的數(shù)據(jù)跨多個(gè)緩存行時(shí)砂竖，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鹃答。對(duì)于Intel486和Pentium處理器乎澄，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。

? ? ?針對(duì)以上兩個(gè)機(jī)制测摔，我們通過(guò)Intel處理器提供了很多Lock前綴的指令來(lái)實(shí)現(xiàn)置济。例如，位測(cè)試和修改指令：BTS锋八、BTR浙于、BTC；交換指令XADD挟纱、CMPXCHG羞酗，以及其他一些操作數(shù)和邏輯指令。被這些指令操作的內(nèi)存區(qū)域就會(huì)加鎖紊服，導(dǎo)致其他處理器不能同時(shí)訪問(wèn)它檀轨。

4.CAS

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。

? （1）使用循環(huán)CAS實(shí)現(xiàn)原子操作

? ? 使用CAS操作可以不加鎖的實(shí)現(xiàn)原子操作欺嗤，如i++操作在多線程下参萄，i處于一種不穩(wěn)定的狀態(tài)。使用鎖可以解決同步問(wèn)題煎饼，但是也可以使用CAS操作也可以實(shí)現(xiàn)操作的原子性拧揽。代碼如下

intexpect = a;

if(a.compareAndSet(expect,a+1)) {?

?????????doSomeThing1();

}else{

?doSomeThing2();

}

? ?這樣如果a的值被改變了a++就不會(huì)被執(zhí)行。按照上面的寫(xiě)法，a!=expect之后,a++就不會(huì)被執(zhí)行淤袜，如果我們還是想執(zhí)行a++操作怎么辦，沒(méi)關(guān)系衰伯，可以采用while循環(huán)

while(true) {

????intexpect = a;

????if(a.compareAndSet(expect, a +1)) {

?????????doSomeThing1();

????????return;?

?????}else{?

?????????doSomeThing2();?

?????}

}

? ?采用上面的寫(xiě)法铡羡，在沒(méi)有鎖的情況下實(shí)現(xiàn)了a++操作，這實(shí)際上是一種非阻塞算法意鲸。

? ?CAS有3個(gè)操作數(shù)烦周，內(nèi)存值V，舊的預(yù)期值A(chǔ)怎顾，要修改的新值B读慎。當(dāng)且僅當(dāng)預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時(shí)，將內(nèi)存值V修改為B槐雾，否則什么都不做夭委。

? ?成功過(guò)程中需要2個(gè)步驟：比較this == expect，替換this = update募强，compareAndSwapInt如何這兩個(gè)步驟的原子性呢株灸？

? ?JVM中的CAS操作是利用了處理器提供的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操作直到成功為止擎值。

? ?CAS通過(guò)調(diào)用JNI的代碼實(shí)現(xiàn)的慌烧。JNI:Java Native Interface為JAVA本地調(diào)用，允許java調(diào)用其他語(yǔ)言鸠儿。而compareAndSwapInt就是借助C來(lái)調(diào)用CPU底層指令實(shí)現(xiàn)的屹蚊。程序會(huì)根據(jù)當(dāng)前處理器的類(lèi)型來(lái)決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。如果程序是在多處理器上運(yùn)行进每，就為cmpxchg指令加上lock前綴（lock cmpxchg）汹粤。反之，如果程序是在單處理器上運(yùn)行品追，就省略lock前綴（單處理器自身會(huì)維護(hù)單處理器內(nèi)的順序一致性玄括，不需要lock前綴提供的內(nèi)存屏障效果）。

? ? 5.CAS實(shí)現(xiàn)原子操作的三大問(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)原子操作肉瓦，比如LinkedTransferQueue類(lèi)的Xfer方法遭京。CAS雖然很高效地解決了原子操作，但是CAS仍然存在三大問(wèn)題泞莉。ABA問(wèn)題哪雕，循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大，以及只能保證一個(gè)共享變量的原子操作鲫趁。

? ? ? ?1）ABA問(wèn)題斯嚎。? 因?yàn)镃AS需要在操作值的時(shí)候，檢查值有沒(méi)有發(fā)生變化，如果沒(méi)有發(fā)生變化則更新堡僻，但是如果一個(gè)值原來(lái)是A糠惫，變成了B，又變成了A钉疫，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)生變化硼讽，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)牲阁。在變量前面追加上版本號(hào)固阁，每次變量更新的時(shí)候把版本號(hào)加1，那么A－>B－>A就會(huì)變成1A－>2B－>3A城菊。從Java1.5開(kāi)始备燃，JDK的Atomic包里提供了一個(gè)類(lèi)AtomicStampedReference來(lái)解決ABA問(wèn)題。這個(gè)類(lèi)的compareAndSet方法的作用是首先檢查當(dāng)前引用是否等于預(yù)期引用凌唬，并且檢查當(dāng)前標(biāo)志是否等于預(yù)期標(biāo)志并齐，如果全部相等，則以原子方式將該飲用和該標(biāo)志的值設(shè)置為給定的更新值法瑟。

public boolean compareAndSet｛

? ? ? ? V? ? expectedReference冀膝，? ? ? ? //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

｝

? ? ?2）循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開(kāi)銷(xiāo)大霎挟。自旋CAS如果長(zhǎng)時(shí)間不成功窝剖，會(huì)給CPU帶來(lái)非常大的執(zhí)行開(kāi)銷(xiāo)。如果JVM能支持處理器提供的pause指令酥夭，那么效率會(huì)有一定的提升赐纱。pause指令有兩個(gè)作用：第一，它可以延遲流水線執(zhí)行指令熬北，使CPU不會(huì)消耗過(guò)多的執(zhí)行資源疙描，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)間是零讶隐；第二起胰，它可以避免在退出循環(huán)的時(shí)候因內(nèi)存順序沖突而引起CPU流水線被清空，從而提高CPU的執(zhí)行效率巫延。

? ?3）只能保證一個(gè)共享變量的原子操作效五。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)保證原子操作炉峰，但是對(duì)多個(gè)共享變量操作時(shí)畏妖，循環(huán)CAS就無(wú)法保證操作的原子性，這個(gè)時(shí)候就可以用鎖疼阔。還有一個(gè)巧取的辦法戒劫，就是把多個(gè)共享變量合并成一個(gè)共享變量來(lái)操作半夷。比如，有兩個(gè)共享變量i＝2迅细，j＝a巫橄，合并一下ij＝2a，然后用CAS來(lái)操作ij＝2a疯攒，然后用CAS來(lái)操作ij嗦随。從JDK1.5開(kāi)始提供了AtomicReference類(lèi)來(lái)保證引用對(duì)象之間的原子性，就可以把多個(gè)變量放在一個(gè)對(duì)象里來(lái)進(jìn)行CAS操作敬尺。

? ? ??6.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)制贴浙，有偏向鎖砂吞、輕量級(jí)鎖和互斥鎖。有意思的是除了偏向鎖崎溃，JVM實(shí)現(xiàn)鎖的方式都用了循環(huán)CAS蜻直，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(lái)獲取鎖，當(dāng)他退出同步塊的時(shí)候使用循環(huán)CAS釋放鎖袁串。