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JAVA并发编程的艺术(4)原子操作的实现原理

敢敢雷
2019-12-03 / 0 评论 / 0 点赞 / 477 阅读 / 1,917 字
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原子本意是“不能被进一步分割的最小粒子”,而原子操作意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

处理器实现原子操作

处理器提供总线锁定缓存锁定两个机制来保证复杂内存操作的原子性。

使用总线保证原子性

如果多个处理器同时对共享变量进行读改写操作,那么共享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,操作完后,共享变量的值会和期望的不一致。

比如:i++,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。原因可能是多个处理器同时从各自的缓存中读取i,分别进行加1操作,然后分别写入系统内存中,那么想要保证读改写共享操作的原子的,就必须保证CPU1读改写共享变量的时候,CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存了。
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处理器就是使用总线锁来解决这个问题的。总线锁就是使用了处理器提供的一个LOCK#信号,当一个处理器在总线上输出此信号时,其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占共享内存。

使用缓存锁保证原子性

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。

所谓“缓存锁定”是指内存区域如果被缓存在处理器的缓存行中,并且在Lock操作期间被锁定,那么当它执行锁操作回写到内存时,处理器不在总线上声言LOCK#信号,而是修改内部的内存地址,并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子性,因为缓存一致性机制会阻止同时修改由两个以上处理器缓存的内存区域数据,当其他处理器回写已被锁定的缓存行的数据时,会使缓存行无效,在如图2-3所示的例子中,当CPU1修改缓存行中的i时使用了缓存锁定,那么CPU2就不能同时缓存i的缓存行。

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。

JAVA实现原子操作

在java中可以通过循环CAS的方式来实现原子操作

使用循环CAS实现原子操作

CAS即为CompareAndSwap,比较并替换

VM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG(Compare and Exchange)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Java 1.5开始,JDK的并发包里提供了一些类来实现原子操作,如AtomicBoolean,AtomicInteger和AtomicLong。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。

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,CAS虽然很高效地解决了原子操作,但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题,循环时间长开销大,以及只能保证一个共享变量的原子操作。

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。ABA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,那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从Java 1.5开始,JDK的Atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的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,则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

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:第一,它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,在一些处理器上延迟时间是零;第二,它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突而引起CPU流水线被清空,从而提高CPU的执行效率。

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。还有一个取巧的办法,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Java 1.5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。

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。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。

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