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章鱼彩票-面试必备:Java 原子操作的完成原理(值得保藏)

admin 2019-09-07 147人围观 ,发现0个评论

原子(atomic)原意是“不能被进一步切割的最小粒子”,而原子操作(atomic operation)意为“不可被中止的一个或一系列操作”。在多处理器上完结原子操作就变得有点杂乱。让咱们一起来聊一聊在Intel处理器和Java里是怎么完结原子操作的。

术语界说

在了解原子操作的完结原理前,先要了解一下相关的术语:

术语称号 英文 解说 缓存行 Cache line 缓存的最小操作单位 比较并交流 Compare and Swap CAS操作需求输入两个数值,一个旧值(希望操作前的值)和一个新值,在操作期间先比较章鱼彩票-面试必备:Java 原子操作的完成原理(值得保藏)旧值有没有发生改变,假如没有发生改变,才交流成新值,发生了改变则不交流。 CPU流水线 CPU pipeline CPU流水线的工作方法就像工业生产上的安装流水线,在CPU中由5~6个不同功用的电路单元组成一条指令处理流水线,然后将一条X86指令分红5~6步后再由这些电路单元别离履行,这样就能完结在一个CPU时钟周期完结一条指令,因而进步CPU的运算速度 内存次序抵触 Memory order violation 内存次序抵触一般是由假同享引起的,假同享是指多个CPU一起修正同一个缓存行的不同部分而引起其间一个CPU的操作无效,当呈现这个内存次序抵触时,CPU有必要清空流水线 处理器怎么完结原子操作

32位IA-32处理器运用根据对缓存加锁或总线加锁的方法来完结多处理器之间的原子操作。首要处理器会主动确保根本的内存操作的原子性。处理器确保从体系内存中读取或许写入一个字节是原子的,意思是当一个处理器读取一个字节时,其他处理器不能拜访这个字节的内存地址。Pentium 6和最新的处理器能主动确保单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64位的操作是原子的,可是杂乱的内存操作处理器是不能主动确保其原子性的,比方跨总线宽度、跨多个缓存行和跨页表的拜访。可是,处理器供给总线确定和缓存确定两个机制来确保杂乱内存操作的原子性。

在Intel 2019年的文档中,该部分论述根本不变,详细能够覆按文末Intel文档的2957页 8.1 LOCKED ATOMIC OPERATIONS

运用总线锁确保原子性

榜首个机制是经过总线锁确保原子性。假如多个处理器一起对同享变量进行读改写操作(i++便是经典的读改写操作),那么同享变量就会被多个处理器一起进行操作,这样读改写操作就不是原子的,操作完之后同享变量的值会和希望的不一致。举个比方,假如i=1,咱们进行两次i++操作,咱们希望的结果是3,可是有或许结果是2,如图2-3所示。

原因或许是多个处理器一起从各自的缓存中读取变量i,别离进行加1操作,然后别离写入体系内存中。那么,想要确保读改写同享变量的操作是原子的,就有必要确保CPU1读改写同享变量的时分,CPU2不能操作缓存了该同享变量内存地址的缓存。处理器运用总线锁便是来处理这个问题的。所谓总线锁便是运用处理器供给的一个LOCK#信号,当一个处理器在总线上输出此信号时,其他处理器的恳求将被阻塞住,那么该处理器能够独占同享内存。

Intel文档的2959页 8.1.2 Bus Locking

运用缓存锁确保原子性

第二个机制是经过缓存确定来确保原子性。在同一时刻,咱们只需确保对某个内存地址的操作是原子性即可,但总线确定把CPU和内存之间的通讯锁住了,这使得确定期间,其他处理器不能操作其他内存地址的数据,所以总线确定的开支比较大,现在处理器在某些场合下运用缓存确定替代总线确定来进行优化。

频频运用的内存会缓存在处理器的L1、L2和L3高速缓存里,那么原子操作就能够直接在处理器内部缓存中进行,并不需求声明总线锁,在Pentium 6和现在的处理器中能够运用“缓存确定”的方法来完结杂乱的原子性。所谓“缓存确定”是指内存区域假如被缓存在处理器的缓存行中,而且在Lock操作期间被确定,那么当它履行锁操作回写到内存时,处理器不在总线上声言LOCK#信号,而是修正内部的内存地址,并答应它的缓存一致性机制来确保操作的原子性,由于缓存一致性机制会阻挠一起修正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确定的缓存行的数据时,会使缓存行无效,在如图2-3所示的比方中,当CPU1修正缓存行中的i时运用了缓存确定,那么CPU2就不能一起缓存i的缓存行。

可是有两种状况下处理器不会运用缓存确定:

  • 榜首种状况是: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确定。
  • 第二种状况是:有些处理器不支撑缓存确定。关于Intel 486和Pentium处理器,就算确定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线确定。针对以上两个机制,咱们经过Intel处理器供给了许多Lock前缀的指令来完结。例如,位测验和修正指令:BTS、BTR、BTC;交流指令XADD、CMPXCHG,以及其他一些操作数和逻辑指令(如ADD、OR)等,被这些指令操作的内存区域就会加锁,导致其他处理器不能一起拜访它。

Intel文档的2961页 8.1.4 Effects of a LOCK Operation on Internal Processor Caches

Java怎么完结原子操作

在Java中能够经过锁和循环CAS的方法来完结原子操作。

运用循环CAS完结原子操作

JVM中的CAS操作正是利用了处理器供给的CMPXCHG(Compare and Exchange)指令完结的。自旋CAS完结的根本思路便是循环进行CAS操作直到成功停止,以下代码完结了一个根据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章鱼彩票-面试必备:Java 原子操作的完成原理(值得保藏) : ts章鱼彩票-面试必备:Java 原子操作的完成原理(值得保藏)) {
t.start();
}
// 等候一切线程履行完结
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);
}
/**
* 运用CAS完结线程安全计数器
*/
private void safeCount() {
for (; ; ) {
int i = atomicI.get();
boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
if (suc) {
break;
}
}
}
/章鱼彩票-面试必备:Java 原子操作的完成原理(值得保藏)**
* 非线程安全计数器
*/
private void count() {
i++;
}
仿制代码

从Java 1.5开端,JDK的并发包里供给了一些类来支撑原子操作,如AtomicBoolean(用原子方法更新的boolean值)、AtomicInteger(用原子方法更新的int值)和AtomicLong(用原子方法更新的long值)。这些原子包装类还供给了有用的东西方法,比方以原子的方法将当时值自增1和自减1。

CAS完结原子操作的三大问题

在Java并发包中有一些并发结构也运用了自旋CAS的方法来完结原子操作,比方LinkedTransferQueue类的Xfer方法。CAS尽管很高效地处理了原子操作,可是CAS依然存在三大问题。ABA问题,循环时刻长开支大,以及只能确保一个同享变量的原子操作。

  1. ABA问题。由于CAS需求在操作值的时分,查看值有没有发生改变,假如没有发生改变则更新,可是假如一个值原来是章鱼彩票-面试必备:Java 原子操作的完成原理(值得保藏)A,变成了B,又变成了A,那么运用CAS进行查看时会发现它的值没有发生改变,可是实际上却改变了。ABA问题的处理思路便是运用版别号。在变量前面追加上版别号,每次变量更新的时分把版别号加1,那么A→B→A就会变成1A→2B→3A。从Java 1.5开端,JDK的Atomic包里供给了一个类AtomicStampedReference来处理ABA问题。这个类的compareAndSet方法的效果是首要查看当时引证是否等于预期引证,而且查看当时标志是否等于预期标志,假如悉数持平,则以原子方法将该引证醴和该标志的值设置为给定的更新值。
public boolean compareAndSet(
V expectedReference, // 预期引证
V newReference, // 更新后的引证
int expectedStamp, // 预期标志
int newStamp // 更新后的标志
)
仿制代码
  1. 循环时刻长开支大。自旋CAS假如长期不成功,会给CPU带来非常大的履行开支。假如JVM能支撑处理器供给的pause指令,那么功率会有必定的进步。pause指令有两个效果:榜首,它能够推迟流水线履行指令(de-pipeline),使CPU不会耗费过多的履行资源,推迟的时刻取决于详细完结的版别,在一些处理器上推迟时刻是零;第二,它能够防止在退出循环的时分因内存次序抵触(Memory Order Violation)而引起CPU流水线被清空(CPU Pipeline Flush),然后进步CPU的履行功率。
  2. 只能确保一个同享变量的原子操作。当对一个同享变量履行操作时,咱们能够运用循环CAS的方法来确保原子操作,可是对多个同享变量操作时,循环CAS就无法确保操作的原子性,这个时分就能够用锁。还有一个取巧的方法,便是把多个同享变量兼并成一个同享变量来操作。比方,有两个同享变量i=2,j=a,兼并一下ij=2a,然后用CAS来操作ij。从Java 1.5开端,JDK供给了AtomicReference类来确保引证目标之间的原子性,就能够把多个变量放在一个目标里来进行CAS操作。

运用锁机制完结原子操作

锁机制确保了只要取得锁的线程才能够操作确定的内存区域。JVM内部完结了许多种锁机制,有倾向锁、轻量级锁和互斥锁。有意思的是除了倾向锁,JVM完结锁的方法都用了循环CAS,即当一个线程想进入同步块的时分运用循环CAS的方法来获取锁,当它退出同步块的时分运用循环CAS开释锁。

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