原子(atom )表示“不可再分割的最小粒子”，原子操作) atomic operation表示“一个或多个不可中断的操作”。 在多处理器上实现原子操作变得有点复杂。 本文介绍了英特尔处理器和Java如何实现原子操作。
2术语定义
术语名称
英语
解释
高速缓存线
缓存line
缓存的最小操作单位
比较交换
Compare and Swap
CAS操作需要输入两个数值。 1个旧值(操作前的值)和1个新值)在操作中比较旧值是否有变化，如果没有变化则更换为新值，如果有变化则不更换。
CPU流水线
CPU pipeline
CPU流水线如同工业生产装配线，在CPU中由5~6个不同功能的电路单元组成一条指令处理线，将一条X86指令分5~6步后在这些电路单元上执行，从而在一个CPU时钟周期内产生一条指令
内存序列冲突
内存顺序虚拟化
内存序列冲突一般由伪共享引起。 伪共享是指多个CPU同时修改同一缓存线上的不同部分，从而使其中一个CPU的行为无效。 如果发生此内存序列冲突，CPU必须清空管线。
3处理器如何实现原子操作
32位IA-32处理器使用基于高速缓存锁或总线锁的方法来提供多处理器之间的原子操作。
3.1处理器自动保证基本的内存操作的原子性
首先，处理器自动保证基本的存储器操作的原子性。 确保处理器从系统内存中读取或写入一个字节意味着，当一个处理器读取一个字节时，其他处理器无法访问该字节的存储器地址。 奔腾和最新的处理器可以自动确保单个处理器在同一高速缓存线上执行16/32/64位操作，而复杂的内存操作处理器可以访问总线宽度、多条高速缓存线和电子表格表但是，处理器提供了总线锁和高速缓存锁两种机制，保证了复杂内存操作的原子性。
3.2总线锁定保证原子性
第一种机制是用总线锁保证原子性。 如果多个处理器同时进行共享变量的读写(其中I是经典的读写操作)，则共享变量将同时由多个处理器操作。 这样一来，读取改写操作就不是原子操作，操作完成后共享变量的值与期望不一致。 例如，如果i=1，则预期执行两次I操作的结果为3，但结果可能为2。 如下图所示
(例1 ) )。
这是因为，多个处理器有可能同时从各个缓存中读取变量I，分别进行加法操作，并将各自写入系统内存。 那么，为了保证读写共享变量的操作是原子的，在CPU1读写共享变量时，必须保证CPU2不能操作缓存了该共享变量的存储器地址的缓存。
处理器使用总线锁解决这个问题。 总线锁定是指通过使用处理器提供的LOCK#信号，在一个处理器向总线输出此信号时，如果其它处理器的请求被阻止，则处理器可以独占地使用共享存储器。
3.3缓存锁定保证原子性
第二种机制是通过缓存锁保证原子性。 在同一时刻，只要保证对某个存储器地址的操作是原子的即可，但是由于总线锁锁定了CPU和存储器间的通信，所以在锁定中，由于其他处理器不能操作其他存储器地址的数据，所以总线锁过度
因为经常使用的内存被高速缓存在处理器的L1、L2、L3高速缓存中，所以原子操作可以直接在处理器内部高速缓存中进行，不需要声明总线锁定，在奔腾6和最近的处理器上采用“高速缓存锁定”方式“高速缓存锁定”是指在锁定操作期间，如果高速缓存在处理器高速缓存线上的内存区域被锁定，则在执行锁定操作并回写至内存时，处理器不会在总线上声明LOCK#信号，而是将内部内存地址高速缓存完整性机制不能同时更改在两个或多个处理器上高速缓存的内存空间中的数据。 如果其他处理器写回锁定的高速缓存行中的数据，则高速缓存行将变为无效。 在示例1中，如果CPU1在更改高速缓存行I时使用高速缓存锁，则CPU2将无法同时高速缓存I的高速缓存行。
但是，如果CPU不使用高速缓存锁，则有两种情况。 第一种情况是，如果处理器无法在内部缓存所操作的数据，或者所操作的数据跨越多条高速缓存线，则处理器将调用总线锁。 第二种情况是某些处理器不支持高速缓存锁定。 对于英特尔486和奔腾处理器，即使锁定的内存空间位于处理器缓存线上，也会调用总线锁。
这两种机制可以通过英特尔处理器提供许多锁定前缀的指令来实现。 举例来说，位测试和修改指令BTS、BTR、BTC、交换指令XADD、CMPXCHG和其它操作数与逻辑指令(例如，ADD (正)、或(OR ) )可锁定由这些指令操作的存储器区域，且其它处理器可
4 JAVA实现原子操作的方法
在java中，通过锁定CAS并使其循环可以实现原子操作。
4.1基于循环CAS的原子操作
JVM中的CAS操作
正是利用了上一节中提到的处理器提供的CMPXCHG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，以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count。private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
private int i = 0;
public static void main(String[] args) {
final Counter cas = new Counter();
List ts = new ArrayList(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();
}
// 等待所有线程执行完成
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实现线程安全计数器
*/
private void safeCount() {
for (;;) {
int i = atomicI.get();
boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
if (suc) {
break;
}
}
}
/**
* 非线程安全计数器
*/
private void count() {
i++;
}
}
从Java1.5开始JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作，如AtomicBoolean(用原子方式更新的 boolean 值)，AtomicInteger(用原子方式更新的 int 值)，AtomicLong(用原子方式更新的 long 值)，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。
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，比如LinkedTransferQueue类的Xfer方法。CAS虽然很高效的解决原子操作，但是CAS仍然存在三大问题。ABA问题，循环时间长开销大和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下值有没有发生变化，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一，那么A－B－A 就会变成1A-2B－3A。
从Java1.5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方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且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。
public boolean compareAndSet(
V expectedReference,//预期引用
V newReference,//更新后的引用
int expectedStamp, //预期标志
int newStamp //更新后的标志
)
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(de-pipeline),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(memory order violation)而引起CPU流水线被清空(CPU pipeline flush)，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，或者有一个取巧的办法，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Java1.5开始JDK提供了AtomicReference类来保证引用对象之间的原子性，你可以把多个变量放在一个对象里来进行CAS操作。
4.2 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实现锁的方式都用到的循环CAS，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。详细说明可以参见文章Java SE1.6中的Synchronized。