Java并发编程的艺术(3)原子操作的实现原理

原子操作的实现原理

原子(atomic)本意是“不能被进一步分割的最小粒子”,而原子操作(atomic operation)意 为“不可被中断的一个或一系列操作”。在多处理器上实现原子操作就变得有点复杂。让我们 一起来聊一聊在Intel处理器和Java里是如何实现原子操作的。

处理器如何实现原子操作

(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改写操作(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。
在这里插入图片描述
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共享内存。
(2)使用缓存锁保证原子性。
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操作期间锁定,那么当他执行锁操作写回内存时,处理器不在总线上声言LOCK#信号,而是修改内部的内存地址,并允许他的缓存一致性机制来保证操作的原子性。
缓存一致性
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。

Java中通过锁和循环CAS方式来实现原子操作

使用循环CAS实现原子操作

JDK1.5开始并发包里提供了一些类支持原子操作(AtomicInteger)

CAS实现原子操作的三大问题

(1)ABA问题
CAS需要在操作值得时候,检查值发生了变化从A-B-A CAS进行检查时会发现它的值没有变化,但实际上发生了变化。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加1,那么A-B-A 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。
(3)只能保证一个共享变量的原子操作

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。

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