java并发编程（三）

java多线程编程(三)

     原子操作的实现原理

1.术语定义

2.解决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。假如多个解决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解决器同时进行操作，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，假如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。

起因可能是多个解决器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加1操作，而后分别写入系统内存中。那么，想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必需保证CPU1读改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。

解决器使用总线锁就是来处理这个问题的。所谓总线锁就是使用解决器提供的一个LOCK＃信号，当一个解决器在总线上输出此信号时，其余解决器的请求将被阻塞住，那么该解决器可以独占共享内存。

（2）使用缓存锁保证原子性

但是有两种情况下解决器不会使用缓存锁定。第一种情况是：当操作的数据不能被缓存在解决器内部，或者操作的数据跨多个缓存行（cache line）时，则解决器会调用总线锁定。第二种情况是：有些解决器不支持缓存锁定。对于Intel 486和Pentium解决器，就算锁定的内存区域在解决器的缓存行中也会调用总线锁定。针对以上两个机制，我们通过Intel解决器提供了很多Lock前缀的指令来实现。例如，位测试和修改指令：BTS、BTR、BTC；交换指令XADD、CMPXCHG，以及其余少量操作数和逻辑指令（如ADD、OR）等，被这些指令操作的内存区域就会加锁，导致其余解决器不能同时访问它。

3.Java如何实现原子操作

（1）使用循环CAS实现原子操作

（2）CAS实现原子操作的三大问题

    1)ABA问题，就像一个人绕了远路还是走的原来的路吗？         不是    处理方案：加上版本号    2）循环时间长开销大：    自旋CAS假如长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。假如JVM能支持解决器提供的pause指令，那么效率会有肯定的提升。pause指令有两个作用：第一，它可以推迟流水线执行指令（de-pipeline），使CPU不会消耗过多的执行资源，推迟的时间取决于具体实现的版本，在少量解决器上推迟时间是零；第二，它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（Memory Order Violation）而引起CPU流水线被清空（CPU Pipeline Flush），从而提高CPU的执行效率    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，这个时候即可以用锁。还有一个取巧的办法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比方，有两个共享变量i＝2，j=a，合并一下ij=2a，而后用CAS来操作ij。从Java 1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，即可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

（3）使用锁机制实现原子操作

锁机制保证了只有取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。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。