文章目录

• 什么是原子操作
• 术语
• • CAS
  • • CAS实现原子操作的三大问题：
    • • 1.CAS操作的ABA问题（ABA）
      • 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。
  • CPU流水线
  • 内存顺序冲突
• 处理器如何保证原子操作
• • • 有两种情况下处理器不会使用缓存锁定
• 使用锁机制实现原子操作

什么是原子操作

原子操作就是: 不可中断的一个或者一系列操作, 也就是不会被线程调度机制打断的操作, 运行期间不会有任何的上下文切换

术语

CAS

CAS：比较并交换（Compare and Swap）

• 多线程对一个变量a进行+1操作，每个线程都会复制a的一个副本
• CAS操作需要输入两个数值，一个旧值（操作前的值），一个新值（操作后的值），交换前需要先比较旧值有没有发生变化，如果旧值没变，就把cpu的值交换为新值，如果旧值发生了变化(和期望的值不一致)，之前的操作作废，重新执行操作。
• CAS只靠java是写不出来的(无法锁住总线和高速缓存)，需要调用操作系统的底层

CAS实现原子操作的三大问题：

1.CAS操作的ABA问题（ABA）

解决方案：加版本号
ABA问题： 因为CAS需要在操作值的时候，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，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。
解决方案： 加版本号，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。
为什么变成A，变成B又变回A？
因为是多线程，会互相覆盖，如t1对n进行+1，t2对n进行-1，执行期间互相覆盖就会出现这种情况，而且一个线程不知道其他线程对变量的操作。

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。

概念： 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。

• 只能保证单个变量
• 操作系统的锁总线和锁缓存是根据一个变量来的（不支持多个变量），如果是多个变量的话，操作系统没有支持，java就没办法写了，因此只能保障单个变量

CPU流水线

• 现实中的流水线：每一部分只完成一部分操作，所有的部分组合起来形成完整的功能；
• 因为同一个人执行不同的操作需要一定的切换时间，而只执行一个操作的话就不需要切换时间，这样就减少了时间浪费。
• 流水线增快了速度，但是步骤操作顺序改变了，变成了批量执行一个步骤
• 不管什么任务，在计算机底层都有很多重复性的操作；
• 假如一个步骤有200个步骤，不用流水线需要切换200次，而用流水线的话，一次执行很多次相同的操作(假设每种操作有20次)，切换次数少很多(10次)；不过流水线导致执行顺序变了（从1,2,3…，1,2,3…变成了1,1,1…2,2,2…）

内存顺序冲突

• 一般是由由假共享引起的
• 多个cpu同时修改一个缓存行的不同部分会引起其中一个cpu的操作无效
• cpu和内存是通过总线连接的，总线是一根导线，通过电压传输，如果两个cpu同时传输的话，电压会进行抵消，所以必须进行排队执行

处理器如何保证原子操作

CAS操作重大缺陷：【保证安全需要条件】

• CAS实际操作步骤： t1的期望值和cpu中的值进行对比，之后再进行更新。因此可能出现，t1期望值进行对比之后，切换到t2进行操作，t2进行期望值的对比，此时t2期望值对比结果也正确，再切换到t1进行cpu数据的更新，之后再切换到t2进行数据的更新。这样的话，最终结果就出现了错误。
• 因此，CAS操作如何保证安全呢？
• —》t1进行CAS操作的时候，只能这一个线程占用总线/其他线程无法访问变量a，才能保证安全【总线锁】
• —》t1进行CAS操作的时候，t2被锁住，不能执行【缓存锁】
• 缓存锁和总线锁是操作系统自带的锁，和后面学的synchronized锁是不一样的（synchronized锁是Java的锁）

有两种情况下处理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处理器内部，或操作的数据跨多个缓存（cache line）时，则处理器会调用总线锁定。
• 第二种情况是：有些处理器不支持缓存锁定。对于Intel 486和Pentium处理器，就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

使用锁机制实现原子操作

是写后读的锁，就是synchronized锁的写后读
例1代码：

//Demo2.java
public class Demo2 {public int num;public synchronized void add() {num++;}
}
//Test1.java
public class Test1 {public static void main(String[] args) throws Exception {Demo2 x =new Demo2();Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {for(int i=0;i<10000;i++) {x.add();}}};Thread t2 = new Thread() {@Overridepublic void run() {for(int i=0;i<10000;i++) {x.add();}}};t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(x.num);}
}

例2代码：

//Demo2.java
public class Demo2 {public int num;public synchronized int getnum() {return num;}public synchronized void setnum(int x) {num = x;}
}
//Test1.java
public class Test1 {public static void main(String[] args) throws Exception {Demo2 x =new Demo2();Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic void run() {for(int i=0;i<10000;i++) {int a = x.getnum()+1;x.setnum(a);}}};Thread t2 = new Thread() {@Overridepublic void run() {for(int i=0;i<10000;i++) {int a = x.getnum()+1;x.setnum(a);}}};t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(x.num);}
}

例3代码：

//Demo2.java
public class Demo2 {public int num;public synchronized int getnum() {return num;}public synchronized void setnum(int x) {num = x;}
}
//Test1.java
public class Test1 {public static void main(String[] args) throws Exception {Demo2 x =new Demo2();Thread t1 = new Thread() {@Overridepublic synchronized void run() {for(int i=0;i<10000;i++) {int a = x.getnum()+1;x.setnum(a);}}};Thread t2 = new Thread() {@Overridepublic synchronized void run() {for(int i=0;i<10000;i++) {int a = x.getnum()+1;x.setnum(a);}}};t1.start();t2.start();t1.join();t2.join();System.out.println(x.num);}
}