原子操作的实现原理

Posted 2023-03-18

参考技术A

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。

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

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。

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

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。

“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。

在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。
CAS

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

原子操作的实现原理
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