JUC（17）java中有哪些原子操作

文章目錄

• ​​一、什麼是原子操作​​
• ​​二、Java中原子操作的實作方式​​

• ​​2.1使用鎖實作原子操作​​
• ​​2.2使用CAS實作原子操作​​

• ​​2.2.1 CAS實作原子操作的問題​​

• ​​三、CPU如何實作原子操作​​

• ​​3.1對于單核CPU​​
• ​​3.2對于多核CPU​​

一、什麼是原子操作

• 原子操作：一個或多個操作在CPU執行過程中不被中斷的特性
• 當我們說原子操作時，需要厘清楚針對的是CPU指令級别還是進階語言級别。

• 比如：經典的銀行轉賬場景，是語言級别的原子操作；而當我們說volatile修飾的變量的複合操作，其原子性不能被保證（這裡指的是CPU指令級别）。二者的本質是一緻的。

• “原子操作”的實質其實并不是指“不可分割”，這隻是外在表現，本質在于多個資源之間有一緻性的要求，操作的中間态對外不可見。

• 比如：在32位機器上寫64位的long變量有中間狀态（隻寫了64位中的32位）；銀行轉賬操作中也有中間狀态（A向B轉賬，A扣錢了，B還沒來得及加錢）

二、Java中原子操作的實作方式

• 除了long和double之外的基本類型的指派操作，因為long和double類型是64位的，是以它們的操作在32位機器上不算原子操作，而在64位的機器上是原子操作。
• 所有引用reference的指派操作
• java.concurrent.Atomic *包中所有類的原子操作
• Java使用鎖和自旋CAS實作原子操作

2.1使用鎖實作原子操作

• 鎖機制保證隻有拿到鎖的線程才能操作鎖定的記憶體區域。
• JVM内部實作了多種鎖，偏向鎖、輕量鎖、互斥鎖。不過輕量鎖、互斥鎖（即不包括偏向鎖），實作鎖時還是使用了CAS，即：一個線程進入同步代碼時用自CAS拿鎖，退出塊的時候用CAS釋放鎖。
• ​

  ​synchronized​

  ​鎖定的臨界區代碼對共享變量的操作是原子操作。

2.2使用CAS實作原子操作

• 利用CAS實作原子操作，其實我們在用的時候，是使用java.util.concurrent.atomic包下的各種原子類，這些原子類裡面的各種方法底層使用的就是CAS。下面是該包中的類：

• AtomicBoolean – 原子布爾
• AtomicInteger – 原子整型
• AtomicIntegerArray – 原子整型數組
• AtomicLong – 原子長整型
• AtomicLongArray – 原子長整型數組
• AtomicReference – 原子引用
• AtomicReferenceArray – 原子引用數組
• AtomicMarkableReference – 原子标記引用
• AtomicStampedReference – 原子戳記引用
• AtomicIntegerFieldUpdater – 用來包裹對整形 volatile 域的原子操作
• AtomicLongFieldUpdater – 用來包裹對長整型 volatile 域的原子操作
• AtomicReferenceFieldUpdater – 用來包裹對對象 volatile 域的原子操作
• AtomicBoolean – 原子布爾
• AtomicInteger – 原子整型
• AtomicIntegerArray – 原子整型數組
• AtomicLong – 原子長整型
• AtomicLongArray – 原子長整型數組
• AtomicReference – 原子引用
• AtomicReferenceArray – 原子引用數組
• AtomicMarkableReference – 原子标記引用
• AtomicStampedReference – 原子戳記引用
• AtomicIntegerFieldUpdater – 用來包裹對整形 volatile 域的原子操作
• AtomicLongFieldUpdater – 用來包裹對長整型 volatile 域的原子操作
• AtomicReferenceFieldUpdater – 用來包裹對對象 volatile 域的原子操作

• 在這一點可以參考：
• 一個案例：

package com.wlw.cas;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;

public class CASDemo {
    //CAS ：compareAndSet() 這個方法的縮寫 比較并交換！
    public static void main(String[] args) {
        //原子類的底層運用了CAS
        AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(2020);

        // public final boolean compareAndSet(int expect, int update)
        //如果我期望的值達到了，那麼就更新，否則，就不更新，CAS是CPU的并發原語!
        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021)); //true
        System.out.println(atomicInteger.get()); //2021 ,atomicInteger的值更新到了2021

        System.out.println(atomicInteger.compareAndSet(2020, 2021)); //false
        System.out.println(atomicInteger.get()); //2021，此時atomicInteger的值是2021，不更新
    }
}      

2.2.1 CAS實作原子操作的問題

CAS是并發包的基石，但用CAS有三個問題：

• ABA問題

  根源：CAS的本質是對變量的current value ,期望值 expected value 進行比較，二者相等時，再将 給定值 given update value 設為目前值。

  是以會存在一種場景，變量值原來是A，變成了B，又變成了A，使用CAS檢查時會發現值并未變化，實際上是變化了。

  對于數值類型的變量，比如int，這種問題關系不大，但對于引用類型，則會産生很大影響。

  ABA問題解決思路：版本号。在變量前加版本号，每次變量更新時将版本号加1,A -> B -> A，就變成 1A -> 2B -> 3A。

  JDK5之後Atomic包中提供了AtomicStampedReference#compareAndSet來解決ABA問題。

public boolean compareAndSet(@Nullable V expectedReference,
                         V newReference,
                         int expectedStamp,
                         int newStamp)      

• 循環時間長則開銷大

  自旋CAS若長時間不成功，會對CPU造成較大開銷。不過有的JVM可支援CPU的pause指令的話，效率可有一定提升。

  pause作用：

• 延遲流水線指令(de-pipeline)，使CPU不至于消耗過多執行資源。
• 可避免退出循環時因記憶體順序沖突(memorey order violation )引起CPU流水線被清空(CPU pipeline flush),進而提高CPU的執行效率。

• 隻能保證一個共享變量的原子操作

  CAS隻能對單個共享變量如是操作，對多個共享變量操作時則無法保證原子性，此時可以用鎖。

  另外，也可“取巧”，将多個共享變量合成一個共享變量來操作。比如a=2,b=t,合并起來ab=2t,然後用CAS操作ab。JDK5提供​

  ​AtomicReference​

  ​保證引用對象間的原子性，它可将多個變量放在一個對象中來進行CAS操作。

三、CPU如何實作原子操作

3.1對于單核CPU

• 對于單核cpu，所有的事件都是串行，執行完第一才會去執行第二個。是以，單核CPU實作原子操作比較簡單。
• 在單核CPU中，每個指令都保證是原子的，即中斷隻會在指令之間發生。Intel x86指令集支援記憶體操作數的inc操作，将多條指令的操作在一條指令内完成。因為程序的上下文切換是在總是在一條指令執行完成後，是以不會寫撕裂或者讀撕裂等并發問題。

3.2對于多核CPU

• 首先，CPU會自動保證基本的記憶體操作的原子性。CPU保證從記憶體中讀寫一個位元組是原子的，即：當一個CPU讀一個位元組時，其他處理器不能通路這個位元組的記憶體位址。
• 但對于複雜的記憶體操作如跨總線跨度、跨多個緩存行的通路，CPU是不能自動保證的。不過，CPU提供總線鎖定和緩存鎖定。

1、使用總線鎖

• 總線鎖用來鎖住某一個共享記憶體。當一個cpu要對記憶體進行操作時，會加上總線鎖，限制其他cpu對共享記憶體操作。Intel x86指令集提供了指令字首lock用于鎖定前端串行總線（FSB），保證了指令執行時不會受到其他處理器的幹擾。
• 假如多個處理器同時讀改寫共享變量，這種操作（e.g. i++）不是原子的，操作完的共享變量的值會和期望的不一緻。
• 原因：多個處理器同時從各自緩存讀i，分别 + 1，分别寫入記憶體。要想保證讀改寫共享變量的原子性，必須保證CPU1讀改寫該變量時，CPU2不能操作緩存了該變量記憶體位址的緩存。
• 總線鎖就是解決此問題的。總線鎖：利用LOCK#信号，當一個CPU在總線上輸出此信号，其他CPU的請求會被阻塞，則該CPU可以獨占共享記憶體。

• 使用總線鎖，會鎖定cpu與記憶體的通信，是以開銷很大。有的cpu架構提供開銷更小的緩存鎖。緩存鎖在一個cpu進行回寫時，會使用緩存一緻性機制來保護内部記憶體，當其他處理器回寫已被鎖定的緩存行的資料時會使緩存行無效。
• 同一時刻，其實隻要保證對某個記憶體位址的操作是原子的即可，但總線鎖定把CPU和記憶體間的通信鎖住了。鎖定期間，其他CPU不能操作其他記憶體位址的資料，是以總線鎖定的開銷比較大。目前CPU會在一些場景下使用緩存鎖替代總線鎖來優化。
• 頻繁使用的記憶體會被緩存到L1、L2、L3高速cache中，原子操作可直接在高速cache中進行，不需要聲明總線鎖。
• 緩存鎖是指：緩存一緻性機制阻止同時修改由兩個以上CPU緩存的記憶體區域資料，當其他CPU回寫已被鎖定的緩存行資料時，會使緩存行無效。

• CAS（Compare and Swap），cas記錄原來記憶體中的值old，和将要修改的值new。CAS會檢測現在記憶體中的值now,如果now和old一緻，則說明沒有别的cpu進行了記憶體修改，執行new值的更新。如果new和old值不等，則說明值已被修改，丢棄new值。