java如何實現原子操做

處理器如何實現原子操做

使用總線鎖保證原子性

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，其餘處理器的請求將被阻塞住，那麼該處理器能夠獨佔共享內存。

使用緩存鎖保證原子性

所謂緩存鎖定，是指內存區域若是被緩存在處理器的緩存行中，而且在Lock操做期間被鎖定，那麼當它執行鎖操做寫會到內存時，處理器不在總線上聲言Lock # 信號，而是修改內部的內存地址，並容許它的緩存一致性機制來保證操做的原子性，由於緩存一致性機制會阻止同時修改由兩個以上處理器緩存的內存預期數據，當其餘處理器寫回已被鎖定的緩存行的數據時，會使緩存行無效。

不能使用緩存鎖定的狀況

第一種狀況是：當操做的數據不能被緩存在處理器內部，或操做的數據跨多個緩存行時，則處理器會調用總線鎖定。 第二章狀況是:有些處理器不支持緩存鎖定。

java如何實現原子操做

從Java 1.5 開始，JDK的併發包裏提供了一些類來支持原子操做，這些原子包裝類還提供了有用的工具方法，好比以原子的方法將當前值自增1和自減1.

package com.control;


import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;


/**
 * Created by cxx on 2018/2/1.
 * java 如何實現原子操做:經過鎖和循環CAS的方式來實現原子操做
 */
public class ControlCount {
    //一個基於CAS線程安全的計數器方法safeCount 和一個線程非安全的計數器count
    private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
    private int i = 0;
    public static void main(String[] args) {
        final ControlCount cas = new ControlCount();
        List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>();
        // 添加100個線程
        for (int j = 0; j < 100; j++) {
            ts.add(new Thread(new Runnable() {
                public void run() {
                    // 執行100次計算，預期結果應該是10000
                    for (int i = 0; i < 100; i++) {
                        cas.count();
                        cas.safeCount();
                    }
                }
            }));
        }
        //開始執行
        for (Thread t : ts) {
            t.start();
        }
        // 等待全部線程執行完成
        for (Thread t : ts) {
            try {
                t.join();
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        System.out.println("非線程安全計數結果："+cas.i);
        System.out.println("線程安全計數結果："+cas.atomicI.get());
    }

    /***
     * 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++;
    }

}

使用CAS實現原子操做的三大問題

1.ABA問題

產生的緣由：CAS須要在操做值的時候，檢查值有沒有發生變化，若是沒有發生變化則更新，可是若是一個值原來是A，變成B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現他的值沒有發生變化，可是實際上確變化了。

解決思路：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1，從Java1.5開始，JDK的atomic包裏提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法的做用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並檢查當前標誌是否等於預期標緻，若是所有相等，則以原子方式將該引用和該標緻設置爲給定的更新值。

2.循環時間長開銷大。 自旋CAS若是長時間不成功，會給cpu帶來很是大的執行開銷。若是JVM能支持處理器提供的pause指令，那麼效率會有必定的提高。pause知道有兩個做用：第一，他能夠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，它能夠避免在退出循環時因內存順序衝突（Memory Order Violation） 而引發CPU流水線被清空，從而提供CPU的執行效率。

3.只能保證一個共享變量的原子操做。當對一個共享變量執行操做時，咱們可使用循環CAS的方式來保證原則操做，可是對於多個共享變量操做時，循環CAS就沒法保證操做的原子性，這個時候就能夠用鎖。

總結

原子操做的保證只有 CAS和 鎖兩種機制，CAS只能使用一個共享變量，多個變量要用鎖。

面試問題示例

public class ControlCount {

    private int i;
    @RequestMapping("/request")
    public String downQuestionByCode(HttpServletRequest request, ModelMap model){
        return i++;
    }
}

分析上面代碼存在的問題。