浅谈Java中的atomic包实现原理及应用-创新互联

1.同步问题的提出

假设我们使用一个双核处理器执行A和B两个线程，核1执行A线程，而核2执行B线程，这两个线程现在都要对名为obj的对象的成员变量i进行加1操作，假设i的初始值为0，理论上两个线程运行后i的值应该变成2，但实际上很有可能结果为1。

我们现在来分析原因，这里为了分析的简单，我们不考虑缓存的情况，实际上有缓存会使结果为1的可能性增大。A线程将内存中的变量i读取到核1算数运算单元中，然后进行加1操作，再将这个计算结果写回到内存中，因为上述操作不是原子操作，只要B线程在A线程将i增加1的值写回到内存之前，读取了内存中i的值（此时i值为0），那么一定就会出现i的结果为1。因为A和B线程读取的i的值都为0，两个线程对它加1后的值都为1，两个线程先后将1写入到变量i中,也就是说i被两次写入的值都为1。

最通常的解决方法是两个线程中对i加1的代码用synchronize关键字对obj对象加锁。今天我们介绍一种新的解决方案，即使用Atomic包中的相关类来解决。

2.Atomic在硬件上的支持

在单处理器系统(UniProcessor)中，能够在单条指令中完成的操作都可以认为是"原子操作"，因为中断只能发生于指令之间（因为线程的调度需要通过中断完成）。这也是某些CPU指令系统中引入了test_and_set、test_and_clear等指令用于临界资源互斥的原因。在对称多处理器(SymmetricMulti-Processor)结构中就不同了，由于系统中有多个处理器在独立地运行，即使能在单条指令中完成的操作也有可能受到干扰。

在x86平台上，CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCKpin，如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK"，经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCKpin的电位拉低，持续到这条指令结束时放开，从而把总线锁住，这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了，保证了这条指令在多处理器环境中的原子性。当然，并不是所有的指令前面都可以加lock前缀的，只有ADD,ADC,AND,BTC,BTR,BTS,CMPXCHG,DEC,INC,NEG,NOT,OR,SBB,SUB,XOR,XADD,和XCHG指令前面可以加"LOCK"指令，实现原子操作。

Atomic的核心操作就是CAS（compareandset,利用CMPXCHG指令实现，它是一个原子指令）,该指令有三个操作数，变量的内存值V（value的缩写），变量的当前预期值E（exception的缩写），变量想要更新的值U（update的缩写），当内存值和当前预期值相同时，将变量的更新值覆盖内存值，执行伪代码如下。

if(V == E){ 
  V = U 
  return true 
}else{ 
  return false 
}