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【Java并發(fā)編程的藝術(shù)】第二章讀書筆記之原子操作

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摘要：前言今天的筆記來了解一下原子操作以及中如何實(shí)現(xiàn)原子操作。概念原子本意是不能被進(jìn)一步分割的最小粒子，而原子操作意為不可被中斷的一個(gè)或一系列操作。處理器實(shí)現(xiàn)原子操作處理器會(huì)保證基本內(nèi)存操作的原子性。

前言

今天的筆記來了解一下原子操作以及Java中如何實(shí)現(xiàn)原子操作。

概念

原子(atomic)本意是“不能被進(jìn)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(gè)或一系列操作”。

處理器實(shí)現(xiàn)原子操作

處理器會(huì)保證基本內(nèi)存操作的原子性。處理器保證從系統(tǒng)內(nèi)存中讀取或者寫入一個(gè)字節(jié)是原子的，意思是當(dāng)一個(gè)處理器讀取一個(gè)字節(jié)時(shí)，其他處理器不能訪問這個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址。最新的處理器能自動(dòng)保證單處理器進(jìn)行16/32/64位的操作是原子的，并且提供總線鎖定和緩存鎖定兩個(gè)機(jī)制來保證復(fù)雜內(nèi)存操作的原子性。

使用總線保證原子性

如果有多個(gè)處理器同時(shí)對(duì)共享變量進(jìn)行操作，那么共享變量就會(huì)被多個(gè)處理器同時(shí)操作，這樣的話，讀改寫操作就不是原子的。
比如i=1,i++，兩個(gè)處理器同時(shí)進(jìn)行操作，最后的結(jié)果，可能是3，也可能是3.
原因可能是多個(gè)處理器同時(shí)從各自的緩存中讀取變量i，分別進(jìn)行加1操作，然后分別寫入系統(tǒng)內(nèi)存。
處理器使用總線鎖來解決這個(gè)問題。當(dāng)處理器發(fā)出LOCK#信號(hào)時(shí)，其他處理器的請(qǐng)求會(huì)被阻塞主，該處理器可以獨(dú)占共享內(nèi)存。

使用緩存鎖定來保證原子性

鎖總線開銷還是很大的，鎖住了CPU和內(nèi)存之間的通信。
因?yàn)轭l繁使用的內(nèi)存會(huì)緩存在處理器的L1、L2、L3高速緩存中，原子操作可以在緩存內(nèi)部完成，同時(shí)通過緩存一致性協(xié)議，當(dāng)A處理器修改緩存中的i時(shí)，其他處理器不能同時(shí)緩存i，即會(huì)使得其他處理器中對(duì)于共享變量的緩存失效。
這段還不是特別明白，感覺得重新翻一下操作系統(tǒng)，有知道的網(wǎng)友可以留言補(bǔ)充一下。

Java實(shí)現(xiàn)原子操作的方式

Java可以使用鎖，實(shí)現(xiàn)一段代碼的原子操作。但這樣開銷比較大，會(huì)引起頻繁的上下文切換。
另外一種方式就是使用CAS操作(比較交換)。
CAS算法的過程是比較簡(jiǎn)單的。它會(huì)包含三個(gè)參數(shù)(V,E,N))。V表示要更新的變量，E表示預(yù)期值,N值。當(dāng)且僅當(dāng)V等于E值時(shí)，才會(huì)將V的值設(shè)為N，如果V值和E值不同，說明已經(jīng)有其他線程做了更新，則當(dāng)前線程什么都不做。
當(dāng)多個(gè)線程同時(shí)使用CAS對(duì)變量進(jìn)行操作時(shí)，只有一個(gè)會(huì)勝出并成功更新，其余會(huì)失敗。失敗的線程不會(huì)被掛起。
Java中對(duì)于基本類型的包裝類都有對(duì)應(yīng)的原子操作實(shí)現(xiàn)，比如
AtomicBoolean
AtomicInteger
等
如果拿AtomicInteger為例子，其中的incrementAndGet的實(shí)現(xiàn)如下所示,是直接調(diào)用了Unsafe類的方法:

 public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
        int var5;
        do {
            var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
        } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

        return var5;
    }

其中var1是傳入對(duì)象的引用，var2是字段到對(duì)象頭部的偏移量，方便快速定位，var5是當(dāng)前值，var5+var4就是期望值，var4傳入的是1。
如果是引用類型的話，可以使用AtomicReference。
CAS操作雖好，但它會(huì)遇到ABA問題，即一個(gè)變量先是A，后來變成了B，在比較時(shí)又變回了A，但CAS操作無法感知到這種情況，如果說我們是否可以修改當(dāng)前值，不僅取決于當(dāng)前值，還取決于它的變化，那么原有的CAS操作就無能為力了，因?yàn)樗兄坏健?br>貼心的JDK為我們提供了AtomicStampedReference，它在對(duì)象內(nèi)部維護(hù)了時(shí)間戳，當(dāng)更新數(shù)據(jù)時(shí)，不僅要更新數(shù)據(jù)，還要更新時(shí)間戳。當(dāng)AtomicStampedReference設(shè)置對(duì)象值時(shí)，對(duì)象值以及時(shí)間戳都必須滿足期望值，寫入才會(huì)成功。
如果是數(shù)組類型的話，JDK提供了AtomicIntegerArray等數(shù)組類型的原子類。

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