Java并发编程—原子操作的实现原理
admin
2024-03-16 13:05:09
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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

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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);}
}

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