原子操作

Posted 2022-10-04 gqymy

CPU术语

缓存行（Cache line）：缓存的最小单位

比较并交换（Compare and Swap）：CAS操作需要输入两个数值，一个旧值，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

CPU流水线（CPU pipeline）：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CUP时钟周期完成一条指令，从而提高CPU的运算速度

内存顺序冲突（Memory order violation）：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，当出现内存顺序冲突时，CPU必须清空流水线

 

处理器实现原子操作

1.使用总线锁保证原子性：   

　　　如果多个处理器同时对共享变量进行读写操作（i++），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。

    总线锁其实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共享内存。

 

2.使用缓存锁保证原子性：   

　　　在同一时刻，只需保证对某个内存地址的操作是原子性即可，但总线锁把CPU和内存之间的通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁的开销比较大，缓存锁可以在某些场合代替总线锁来进行优化。

    频繁使用内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里，原子操作就可以直接在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁。在Pentium6和目前的处理器中可以使用缓存锁的方式来实现复杂的原子性。

    缓存锁定是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，处理器不在总线上声明LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时，会使缓存行无效。但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定

1.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（cache line）时，则处理器会调用总线锁定；2.有些处理器不支持缓存锁定

 

3.Java实现原子操作：通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作

（1）使用循环CAS实现原子操作：JVM中的CAS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

    jdk1.5并发包提供如AtomicBoolean(用院子方式更新boolean值)、AtomicInteger(用原子方式更新int值)等来支持原子操作

（2）CAS实现原子操作的三大问题： 

    1-ABA问题。因为CAS需要在操作值的时候，检查值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是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变化，但实际上是变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加版本号，每次变量更新的时候版本号加1，那么A-B-A就变成1A-2B-3A

jdk1.5中Atomic包里提供了一个AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个累的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。如果JVM能支持处理器提供的pause指令，那么会提升一定的效率。pause指令有两个作用：1.延迟流水线执行指令（de-pipeline），2.可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起流水线被清空

    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，这时就可以用锁。

（3）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。除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程想进入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

 

来自<Java并发编程>