多線程程式設計--08java原子操作的實作原理

這一篇記錄java保證原子操作的原理

    一、使用循環CAS實作原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了處理器提供的CMPXCHG指令實作的。自旋CAS實作的基本思路就是循環進行CAS操作直到成功為止；

從java1.5開始，JDK的并發包裡提供了一些類用來支援原子操作，如AtomicBoolean、AtomicInteger…(主要是資料類型)。這些原子包裝類還提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将目前值自增1和自減1。

    二、使用CAS實作原子操作的三大問題

在java并發包中有一些并發架構也使用了自旋CAS的方式來實作原子操作，比如LinkedTransferQueue類的Xfer方法。CAS雖然很高效的解決了 原子操作，但是CAS仍然存在三大問題：1、A->B->A問題；2、循環時間長開銷大；3、隻能保證一個共享變量的原子操作。

    1)A->B->A問題。因為CAS需要在操作值得時候，檢查值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成B，又變回A。那麼使用CAS進行檢查時會發現他的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。A->B->A問題的解決思路就是使用版本号。在變量前面追加上版本号，每次變量更新的時候把版本号加1，這樣A->B->A就會變成1A->2B->3A。從java1.5開始，JDK的Atomic包裡提供了一個類AtomicStampedRefererce來解決A->B->A問題。這個類的compareAndSetf方法的作用首先檢查目前引用是否等于預期引用，并且檢查目前标志是否等于預期标志，如果全部相等，則以原子方式将該應用和該标志的值設定為給定的更新值。

    2)循環時間長開銷大。自旋CAS如果長時間不成功，會給CPU帶來非常大的執行開銷。如果JVM能支援處理器提供的pause指令，那麼效率會有一定的提升。pause指令有兩個作用：

         1可以延遲流水線執行指令，使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決于具體實作的版本；

         2可以避免在退出循環的時候因記憶體順序沖突而引起流水線被清空，進而提高CPU的執行效率。

    3）隻能保證一個共享變量的原子操作。當對一個共享變量執行操作時，我們可以使用循環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。還有一個取巧的方法，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，然後用CAS來操作ij。從 Java1.5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裡來進行CAS操作。

三、使用鎖機制實作原子操作

    鎖機制保證了隻有獲得鎖的線程才能夠操作鎖定的記憶體區域。JVM内部實作了很多種鎖機制諸如偏向鎖、輕量級鎖和互斥鎖。除偏向鎖以外，JVM實作鎖的方式都用了循環CAS，也就是說當一個線程想進入同步塊的時候使用循環CAS的方式來擷取鎖，當退出痛不快的時候使用循環CAS來釋放鎖。