Java实现原子操作的原理

叁歲伎倆 2022-09-23 10:48 184阅读 0赞

# 原子的定义： #

原子（atomic)本意是"不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作描述为：“不可被中断的一个或一系列操作“。在多核处理器上实现原子操作就会变得复杂了许多。

原子操作的实现：

## 1.术语定义 ##

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background:rgb(192,192,192)"> 术语名称 </td> 
 <td style="background:rgb(192,192,192)"> 英文 </td> 
 <td style="background:rgb(192,192,192)"> 解释 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 缓存行 </td> 
 <td> Cache&nbsp;line </td> 
 <td> 缓存的最小单位 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 比较并交换 </td> 
 <td> Compare&nbsp;and&nbsp;Swap </td> 
 <td> CAS操作需要输入两个数值，一个旧值(期望操作&nbsp;&nbsp;&nbsp;前的值),一个新值，在操作期间先比较旧值有没有&nbsp;&nbsp;发生变化，如果没有发生变化才交换成新值，发&nbsp;&nbsp;&nbsp;生了变化则不交换。 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> CPU流水线 </td> 
 <td> CPU&nbsp;pilelineCPU </td> 
 <td> 流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线，在CPU中由5&nbsp;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&nbsp;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&nbsp;在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高&nbsp;CPU的运算速度 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> 内存顺序冲突 </td> 
 <td> Memory&nbsp;order&nbsp;violation </td> 
 <td> 内存顺序冲突一般是由假共享引起的，假共享是指多个CPU同时修改同一个缓冲行的不同部分而引起其中一个CPU的操作无效，当出现这个内存顺序冲突时，CPU必须清空流水线 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

![Center][]

## 2.处理器如何实现原子操作 ##

(1)使用总线锁保证原子性

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操作（i++就是经典的读改写操作），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样。

public class Test6 {
    	public static void main(String[] args) {
    		Count count=new Count();
    		Count count2=new Count();
    		count.start();
    		count2.start();
    	}
    	
    	
    }
    class Count extends Thread{
    	private static int i=1;
    	@Override
    	public void run() {
    		i++;
    		System.out.println(i);
    		super.run();
    	}
    }

这里我们期望打印出2和3，但是结果有可能会出现2,2和3，3；原因可能多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i,分别进行加1操作，然后分别写入系统内存中。想要保证都改写共享变量的操作都是原子的，就必须保持CPU1（线程1）读改写变量i的时候，CPU2(线程2）不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。

处理器的总线锁就是解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供一个LOCK\#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的轻轻将被阻塞，那么该处理器可以共享内存。

(2).使用缓存锁保证原子性

第二个机制是通过缓存锁来保证原子性。在同一时刻，我们只需要保证对某个内存的操作是原子性即可。总线锁的开销很大，目前处理器会在某些场合使用缓存锁代替总线锁来进行优化。

有两种情况下不能使用缓存锁

第一种情况是：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；

第二种情况：有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel486和Pentium处理器，就是有缓存行也会调用总线锁定；

Java如何实现原子操作：

(1)使用循环CAS实现原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的，自旋的CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止

/*/
 * 计数器
 */
 public class Counter {
 	private AtomicInteger atomic=new AtomicInteger(0);
 	private int i=0;
 	public static void main(String[] args) {
 		final Counter counter=new Counter();
 		List<Thread> list=new ArrayList<Thread>(); //创建线程集合
 		long start=System.currentTimeMillis(); //记录下开始时间
 		for(int j=0;j<100;j++){
 			Thread t=new Thread(new Runnable(){
 
 				@Override
 				public void run() {
 					for(int i=0;i<1000;i++){
 						counter.count(); //非线程安全计数器
 						counter.safeCount(); //线程安全
 					}
 					
 				}
 				
 			}); //以匿名内部类的方式创建线程
 			list.add(t);
 		}
 		for(Thread t:list){
 			t.start();//启动所有线程
 		}
 		//等待所有线程执行完毕
 		for(Thread t:list){
 			try {
 				t.join(); //得到上一个线程的锁
 			} catch (InterruptedException e) {
 				// TODO Auto-generated catch block
 				e.printStackTrace();
 			}
 		}
 		System.out.println(counter.i);
 		System.out.println(counter.atomic.get());
 		System.out.println(System.currentTimeMillis()-start);
 	}
 	
 	/*/
 	 * 非线程安全计数器
 	 */
 	private void count(){
 		i++;
 	}
 	/*
 	 * 使用cas实现线程安全计数器
 	 */
 	private void safeCount(){
 		for(;;){
 			int i=atomic.get();
 			boolean bl=atomic.compareAndSet(i, ++i);
 			if(bl){
 				break;
 			}
 		}
 	}
 }

上面这个类实现了一个线程安全的计数器和一个非线程安全的。在JDK1.5之后提供了一些并发包来进行原子操作，如AtomicInteger(用原子的方式更新int值），AtomicBoolean等。这些类里面还提供了自增和自减等操作的方法；

(2)CAS实现原子操作的三大问题

1.ABA问题

因为CAS需要在操作值得时候，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有没有变化，但是实际上却变化了。那么ABA问题的解决思路就是使用版本号，在变量前面加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加1，那么A-B-C就会变成1A-2B-3A。

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pause指令，那么效率会有一定的提示。pause指令的两个作用，第一，它可以延迟流水线执行指令，使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本。第二，它可以避免在推出循环的时候因内存顺序冲突而引起CPU流水线被清空，从而提高CPU的效率；

3.只能保证一个共享变量的原子操作

当对一个共享变量操作时，我们可以使用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，这个时候就可以用锁。

(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内部实现了很大锁机制，有偏向锁，轻量级锁和互斥锁有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即当一个线程向进入同步块的时候使用CAS的方式来获取锁，当它退出同步块的是很好使用循环CAS释放锁。

[Center]: /images/20220720/85e652c49e9344f1bdc8301847623c6c.png