Java中原子操作的实现原理

目录

一、处理器如何实现原子操作？

1.使用总线锁保证原子性

1.使用缓存锁保证原子性

二、Java如何实现原子操作？

1）使用循环CAS实现原子操作

2）CAS实现原子操作的三大问题

3）使用锁机制实现原子操作

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前言

        原子（atomic）本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意 为“不可被中断的一个或一系列操作”。在多处理器上实现原子操作就变得有点复杂。让我们 一起来聊一聊在Intel处理器和Java里是如何实现原子操作的。

一、处理器如何实现原子操作？

1.使用总线锁保证原子性

        第一个机制是通过总线锁 保证 原子性； 如果多个 处 理器同 时对 共享 变 量 进 行 读 改写操（i++ 就是 经 典的 读 改写操作），那么共享 变 量就会被多个 处 理器同 时进 行操作， 这样读 改写操 作就不是原子的，操作完之后共享变 量的 值 会和期望的不一致。 举 个例子，如果 i=1 ，我 们进 行 两次i++ 操作，我 们 期望的 结 果是 3 ，但是有可能 结 果是 2 ，如 图 所示。

1.使用缓存锁保证原子性

        第二个机制是通过缓 存锁定来保证原子性； 在同一 时 刻，我 们 只需保 证对 某个内存地址

的操作是原子性即可，但 总线锁 定把 CPU 和内存之 间 的通信 锁 住了， 这 使得 锁 定期 间 ，其他 处

理器不能操作其他内存地址的数据，所以 总线锁 定的开 销 比 较 大，目前 处 理器在某些 场 合下

使用 缓 存 锁 定代替 总线锁 定来 进 行 优 化。

但是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行 （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。

二、Java如何实现原子操作？

1）使用循环CAS实现原子操作

① 什么是CAS

典型的 比较并交换（Compare-And-Swap, CAS）操作，通常用于实现无锁并发编程。CAS 是一种原子操作，用于在多线程环境下确保数据的一致性。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

1. 方法签名：public final boolean compareAndSet(int expect, int update):

   • expect：期望的当前值。

   • update：要更新的新值。

   • 返回值：如果操作成功返回 true，否则返回 false。

2. 方法实现:unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update):

   • unsafe: 是一个 Unsafe 类的实例，提供了低级别、不安全的底层由C实现的方法，通常用于直接操作内存。

   • this: 当前对象的引用。

   • valueOffset: 当前对象中某个字段的内存偏移量，用于定位该字段在内存中的位置。

CAS 工作原理

CAS 操作包含三个操作数：内存位置（由 this 和 valueOffset 确定）、期望值（expect）。新值（update）。

CAS 操作的执行过程如下：

1. 检查内存位置的当前值是否等于期望值（expect）。

2. 如果相等，则将内存位置的值更新为新值（update），并返回 true。

3. 如果不相等，则不进行任何操作，并返回 false。

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② 什么是自旋CAS：当一个线程尝试用CAS操作更新某个共享变量时，若操作失败，线程不会进入阻塞；而是循环进行CAS操作直到成功为止；

自旋 CAS 的特点

1. 无锁：自旋 CAS 不需要使用锁（如 synchronized 或 ReentrantLock），避免了锁带来的开销（如上下文切换、线程阻塞等）。

2. 乐观并发控制：它前提假设竞争不会频繁发生，因此线程会持续尝试更新，而不是直接进入阻塞状态。

3. 适用于低竞争场景：

   在低竞争情况下，自旋 CAS 的性能优于锁。
   但在高竞争场景下，自旋 CAS 可能导致大量的 CPU 资源浪费（因为线程会不断重试）。

4. 可能引发 ABA 问题

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2）CAS实现原子操作的三大问题

问题一：ABA问题

        CAS在操作值的时候，会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检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。危害如下：

• 数据不一致：如果程序逻辑依赖于变量的变化历史，ABA 问题可能导致数据不一致。

• 逻辑错误：ABA 问题可能导致程序逻辑错误。例如，在无锁链表中，节点的指针可能被错误地更新。

        解决思路：就是使用版本号，JDK的Atomic包提供了AtomicStampedReference类来解决ABA问题。该类的compareAndSet方法的作用是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，才进行更新值。

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问题二： 长时间CAS不成功开销大

自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销

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问题三：只能保证一个共享变量的原子操作

• 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；

• 或者将多个变量合并，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；

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3）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：有偏向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是除了偏向锁，JVM实现锁的方式都用了循环CAS，即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，当它退出同步块的时候使用循环CAS释放锁。