java多線程編程(三)

     原子操作的實現(xiàn)原理

1.術(shù)語定義

CPU術(shù)語的定義.png

2.處理器如何實現(xiàn)原子操作

（1）使用總線鎖保證原子性

第一個機(jī)制是通過總線鎖保證原子性。如果多個處理器同時對共享變量進(jìn)行讀改寫操作（i++就是經(jīng)典的讀改寫操作），那么共享變量就會被多個處理器同時進(jìn)行操作，這樣讀改寫操作就不是原子的，操作完之后共享變量的值會和期望的不一致。舉個例子，如果i=1，我們進(jìn)行兩次i++操作，我們期望的結(jié)果是3，但是有可能結(jié)果是2。

原因可能是多個處理器同時從各自的緩存中讀取變量i，分別進(jìn)行加1操作，然后分別寫入系統(tǒng)內(nèi)存中。那么，想要保證讀改寫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候，CPU2不能操作緩存了該共享變量內(nèi)存地址的緩存。

處理器使用總線鎖就是來解決這個問題的。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個LOCK＃信號，當(dāng)一個處理器在總線上輸出此信號時，其他處理器的請求將被阻塞住，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

但是有兩種情況下處理器不會使用緩存鎖定。
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，或操作的數(shù)據(jù)跨多個緩存行（cache line）時，則處理器會調(diào)用總線鎖定。
第二種情況是：有些處理器不支持緩存鎖定。對于Intel 486和Pentium處理器，就算鎖定的內(nèi)存區(qū)域在處理器的緩存行中也會調(diào)用總線鎖定。
針對以上兩個機(jī)制，我們通過Intel處理器提供了很多Lock前綴的指令來實現(xiàn)。例如，位測試和修改指令：BTS、BTR、BTC；交換指令XADD、CMPXCHG，以及其他一些操作數(shù)和邏輯指令（如ADD、OR）等，被這些指令操作的內(nèi)存區(qū)域就會加鎖，導(dǎo)致其他處理器不能同時訪問它。

3.Java如何實現(xiàn)原子操作

（1）使用循環(huán)CAS實現(xiàn)原子操作

（2）CAS實現(xiàn)原子操作的三大問題

    1)ABA問題，就像一個人繞了遠(yuǎn)路還是走的原來的路嗎？
         不是
    解決方案：加上版本號
    2）循環(huán)時間長開銷大：
    自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。如果JVM能支持處理器提供的pause指令，那么效率會有一定的提升。pause指令有兩個作用：第一，它可以延遲流水線執(zhí)行指令（de-pipeline），使CPU不會消耗過多的執(zhí)行資源，延遲的時間取決于具體實現(xiàn)的版本，在一些處理器上延遲時間是零；第二，它可以避免在退出循環(huán)的時候因內(nèi)存順序沖突（Memory Order Violation）而引起CPU流水線被清空（CPU Pipeline Flush），從而提高CPU的執(zhí)行效率
    3）只能保證一個共享變量的原子操作
    當(dāng)對一個共享變量執(zhí)行操作時，我們可以使用循環(huán)CAS的方式來保證原子操作，但是對多個共享變量操作時，循環(huán)CAS就無法保證操作的原子性，這個時候就可以用鎖。還有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合并成一個共享變量來操作。比如，有兩個共享變量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS來操作ij。從Java 1.5開始，JDK提供了AtomicReference類來保證引用對象之間的原子性，就可以把多個變量放在一個對象里來進(jìn)行CAS操作。

（3）使用鎖機(jī)制實現(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)部實現(xiàn)了很多種鎖機(jī)制，有偏向鎖、輕量級鎖和互斥鎖。有意思的是除了偏向鎖，JVM實現(xiàn)鎖的方式都用了循環(huán)CAS，即當(dāng)一個線程想進(jìn)入同步塊的時候使用循環(huán)CAS的方式來獲取鎖，當(dāng)它退出同步塊的時候使用循環(huán)CAS釋放鎖。