1. 引言
原子（atom）本意是“不能被進一步分割的最小粒子”，而原子操作（atomic operation）意為"不可被中斷的一個或一系列操作" 。在多處理器上實現原子操作就變得有點 復雜。本文讓我們一起來聊一聊在Intel處理器和Java裡是如何實現原子操作的。
2. 術語定義
3. 處理器如何實現原子操作
32位IA-32處理器使用基於對緩存加鎖或總線加鎖的方式來 實現多處理器之間的原子操作。
3.1 處理器自動保證基本內存操作的原子性
首先處理器 會自動保證基本的內存操作的原子性。處理器保證從系統內存當中讀取或者寫入一個字節是原子的，意思 是當一個處理器讀取一個字節時，其他處理器不能訪問這個字節的內存地址。奔騰6和最新的處理器能自 動保證單處理器對同一個緩存行裡進行16/32/64位的操作是原子的，但是復雜的內存操作處理器不能自動 保證其原子性，比如跨總線寬度，跨多個緩存行，跨頁表的訪問。但是處理器提供總線鎖定和緩存鎖定兩 個機制來保證復雜內存操作的原子性。
3.2 使用總線鎖保證原子性
第一個機制是通過總 線鎖保證原子性。如果多個處理器同時對共享變量進行讀改寫（i++就是經典的讀改寫操作）操作，那麼 共享變量就會被多個處理器同時進行操作，這樣讀改寫操作就不是原子的，操作完之後共享變量的值會和 期望的不一致，舉個例子：如果i=1,我們進行兩次i++操作，我們期望的結果是3，但是有可能結果是2。 如下圖
（例1）
原因是有可能多個處理器同時從各自的緩存中讀取變量i，分別 進行加一操作，然後分別寫入系統內存當中。那麼想要保證讀改寫共享變量的操作是原子的，就必須保證 CPU1讀改寫共享變量的時候，CPU2不能操作緩存了該共享變量內存地址的緩存。
處理器使用總線 鎖就是來解決這個問題的。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個LOCK＃信號，當一個處理器在總線上輸 出此信號時，其他處理器的請求將被阻塞住,那麼該處理器可以獨占使用共享內存。
3.3 使用緩 存鎖保證原子性
第二個機制是通過緩存鎖定保證原子性。在同一時刻我們只需保證對某個內存地 址的操作是原子性即可，但總線鎖定把CPU和內存之間通信鎖住了，這使得鎖定期間，其他處理器不能操 作其他內存地址的數據，所以總線鎖定的開銷比較大，最近的處理器在某些場合下使用緩存鎖定代替總線 鎖定來進行優化。
頻繁使用的內存會緩存在處理器的L1，L2和L3高速緩存裡，那麼原子操作就可 以直接在處理器內部緩存中進行，並不需要聲明總線鎖，在奔騰6和最近的處理器中可以使用“緩存鎖定 ”的方式來實現復雜的原子性。所謂“緩存鎖定”就是如果緩存在處理器緩存行中內存區域在LOCK操作期 間被鎖定，當它執行鎖操作回寫內存時，處理器不在總線上聲言LOCK＃信號，而是修改內部的內存地址， 並允許它的緩存一致性機制來保證操作的原子性，因為緩存一致性機制會阻止同時修改被兩個以上處理器 緩存的內存區域數據，當其他處理器回寫已被鎖定的緩存行的數據時會起緩存行無效，在例1中，當CPU1 修改緩存行中的i時使用緩存鎖定，那麼CPU2就不能同時緩存了i的緩存行。
但是有兩種情況下處 理器不會使用緩存鎖定。第一種情況是：當操作的數據不能被緩存在處理器內部，或操作的數據跨多個緩 存行（cache line），則處理器會調用總線鎖定。第二種情況是：有些處理器不支持緩存鎖定。對於 Inter486和奔騰處理器,就算鎖定的內存區域在處理器的緩存行中也會調用總線鎖定。
以上兩個機 制我們可以通過Inter處理器提供了很多LOCK前綴的指令來實現。比如位測試和修改指令BTS，BTR，BTC， 交換指令XADD，CMPXCHG和其他一些操作數和邏輯指令，比如ADD（加），OR（或）等，被這些指令操作的 內存區域就會加鎖，導致其他處理器不能同時訪問它。
4. JAVA如何實現原子操作
在java 中可以通過鎖和循環CAS的方式來實現原子操作。
4.1 使用循環CAS實現原子操作
JVM中的 CAS操作正是利用了上一節中提到的處理器提供的CMPXCHG指令實現的。自旋CAS實現的基本思路就是循環 進行CAS操作直到成功為止，以下代碼實現了一個基於CAS線程安全的計數器方法safeCount和一個非線程 安全的計數器count。
public class Counter {
private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
private int i = 0;
public static void main(String[] args) {
final Counter cas = new Counter();
List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>(600);
long start = System.currentTimeMillis();
for (int j = 0; j < 100; j++) {
Thread t = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
cas.count();
cas.safeCount();
}
}
});
ts.add(t);
}
for (Thread t : ts) {
t.start();
}
// 等待所有線程執行完成
for (Thread t : ts) {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(cas.i);
System.out.println(cas.atomicI.get());
System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
}
/**
* 使用CAS實現線程安全計數器
*/
private void safeCount() {
for (;;) {
int i = atomicI.get();
boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
if (suc) {
break;
}
}
}
/**
* 非線程安全計數器
*/
private void count() {
i++;
}
}
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在java並發包中有一些並發框架也使用了自旋CAS的方式來實現原子操作，比如 LinkedTransferQueue類的Xfer方法。CAS雖然很高效的解決原子操作，但是CAS仍然存在三大問題。ABA問 題，循環時間長開銷大和只能保證一個共享變量的原子操作。
ABA問題。因為CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如 果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際 上卻變化了。ABA問題的解決思路就是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版 本號加一，那麼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 AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於 預期引用，並且當前標志是否等於預期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標志的值設置為 給定的更新值。
public boolean compareAndSet
(V expectedReference,//預期引用
V newReference,//更新後的引用
int expectedStamp, //預期標志
int newStamp) //更新後的標志
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能支持處 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，第一它可以延遲流水線執行指令 （de-pipeline）,使CPU不會消耗過多的執行資源，延遲的時間取決於具體實現的版本，在一些處理器上 延遲時間是零。第二它可以避免在退出循環的時候因內存順序沖突（memory order violation）而引起 CPU流水線被清空（CPU pipeline flush），從而提高CPU的執行效率。
只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， 或者有一個取巧的辦法，就是把多個共享變量合並成一個共享變量來操作。比如有兩個共享變量i＝2,j=a ，合並一下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，你可以把多個變量放在一個對象裡來進行CAS操作。
4.2 使用鎖機制實現原子操作
鎖機制保證了只有獲得鎖的線程能夠操作鎖定的內存區域。 JVM內部實現了很多種鎖機制，有偏向鎖，輕量級鎖和互斥鎖，有意思的是除了偏向鎖，JVM實現鎖的方式 都用到的循環CAS，當一個線程想進入同步塊的時候使用循環CAS的方式來獲取鎖，當它退出同步塊的時候 使用循環CAS釋放鎖。詳細說明可以參見文章Java SE1.6中的Synchronized。
