多线程编程--08java原子操作的实现原理

这一篇记录java保证原子操作的原理

    一、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CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止；

从java1.5开始，JDK的并发包里提供了一些类用来支持原子操作，如AtomicBoolean、AtomicInteger…(主要是数据类型)。这些原子包装类还提供了有用的工具方法，比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。

    二、使用CAS实现原子操作的三大问题

在java并发包中有一些并发框架也使用了自旋CAS的方式来实现原子操作，比如LinkedTransferQueue类的Xfer方法。CAS虽然很高效的解决了 原子操作，但是CAS仍然存在三大问题：1、A->B->A问题；2、循环时间长开销大；3、只能保证一个共享变量的原子操作。

    1)A->B->A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B，又变回A。那么使用CAS进行检查时会发现他的值没有发生变化，但是实际上却变化了。A->B->A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，这样A->B->A就会变成1A->2B->3A。从java1.5开始，JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedRefererce来解决A->B->A问题。这个类的compareAndSetf方法的作用首先检查当前引用是否等于预期引用，并且检查当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该应用和该标志的值设置为给定的更新值。

    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能支持处理器提供的pause指令，那么效率会有一定的提升。pause指令有两个作用：

         1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；

         2可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起流水线被清空，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，这个时候就可以用锁。还有一个取巧的方法，就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。比如，有两个共享变量i=2,j=a，合并一下ij=2a，然后用CAS来操作ij。从 Java1.5开始，JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，就可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。

三、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内部实现了很多种锁机制诸如偏向锁、轻量级锁和互斥锁。除偏向锁以外，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，也就是说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，当退出痛不快的时候使用循环CAS来释放锁。