为什么i++不是原子操作？一个让无数并发程序崩溃的“常识”

原子性：不可分割的操作

private int count = 0;

public void test() {
    List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 10000; j++) {
                count += 1;
            }
        });
        ts.add(t);
    }

    // ...start启动线程，join等待线程
    assert count == 100 * 10000;
}

对于Java这样的高级语言，一条语句最终会被转换成多条处理器指令完成，例如上面代码中的count += 1，至少需要三条处理器指令。

1）指令1：把变量count从内存加载到处理器的寄存器；

2）指令2：在寄存器中执行+1操作；

3）指令3：将结果写入内存（缓存机制导致可能写入的是处理器缓存而不是内存）。

那么假设有两个线程A和B，同时执行 count+=1，可能存在如下情况：

1）线程A从内存加载count并执行count+=1，同时线程B从内存加载count并执行count+=1，并同时写回内存。那么这时结果是：count = 1。

2）线程A从内存加载count并执行count+=1，并将count结果写回内存。线程B再从内存加载count并执行count+=1。那么这时结果是：count = 2。

可以看到如果要count结果正确，要保证count读取、操作、写入三个过程不被中断。这个过程，可以称之为原子操作。原子 (atomic)本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作 (atomic operation) 意为“不可被中断的一个或一系列操作”。

处理器通过总线锁定、缓存锁定和原子指令等方式实现原子操作。

1）总线锁定（Bus Locking）：通过LOCK指令锁住总线BUS，使当前处理器独享内存空间。但是此时其他处理器都不能访问内存其他地址，效率低。

2）缓存锁定（Cache Locking）：现代处理器主要依赖缓存一致性协议（如MESI）实现原子操作。当处理器核心执行LOCK指令时，会先尝试锁定目标内存地址所在的缓存行。通过MESI协议，处理器核心将缓存行置为独占状态（Exclusive/Modified），阻止其他处理器核心修改。操作完成后，缓存行状态更新并释放锁，其他核心可重新获取该行。若内存操作跨越两个缓存行（如未对齐的8字节写入），或目标地址未被缓存时，需直接锁总线。

3）原子指令（Atomic Instruction）：处理器通常提供一些特殊的指令来实现原子操作，例如，x86架构的CMPXCHG（比较并交换）指令，ARM架构的LDREX和STREX（加载和存储独占）指令。

在实际的并发编程中，缓存一致性协议和原子操作通常需要一起使用。例如，CMPXCHG只在单核处理器下有效，多核处理器依然要加上LOCK前缀（LOCK CMPXCHG）。

当处理器执行CMPXCHG指令时，它会先将需要操作的内存内容加载到缓存中，然后锁定这部分缓存，执行比较和交换操作，最后将结果写回内存。在这个过程中，其他的处理器不能访问被锁定的缓存，从而保证了操作的原子性。

compxchg [ax] (隐式参数，EAX累加器), [bx] (源操作数地址), [cx] (目标操作数地址)

利用CMPXCHG指令可以通过循环CAS方式来实现原子操作。

// 判断当前机器是否是多核处理器
int mp = os::is MP();
_asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange value
    mov eax, compare_value
    // 这里需要先进行判断是否为多核处理器
    LOCK IF MP(mp)
    // 如果是多核处理器就会在这行指令前加Lock标记
    cmpxchg dword ptr [edx],ecx
}

CAS（Compare and Swap）是一种常用的原子操作。CAS操作需要输入两个数值，一个旧值（期望操作前的值）和一个新值，在操作期间先比较旧值有没有发生变化，如果没有发生变化，才交换成新值，发生了变化则不交换。

Java语言提供了大量的原子操作类，来实现对应的CAS操作。比如AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong等。

private AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

public void test() {
    List<Thread> ts = new ArrayList<>();
    for (int i = 0; i < 100; i++) {
        Thread t = new Thread(() -> {
            for (int j = 0; j < 10000; j++) {
               count.incrementAndGet();
            }
        });
        ts.add(t);
    }

    // ...start启动线程，join等待线程
    assert count.get() == 100 * 10000;
}

尽管CAS操作是原子的，但它也存在一些问题，主要包括以下几个方面。

1）ABA问题：在CAS操作中，如果一个值在操作开始时是A，然后被改为B，最后又被改回A，那么CAS操作会误认为没有发生变化。为了解决ABA问题，可以使用版本号或标记来跟踪变化。

2）自旋开销：CAS操作是通过自旋来实现的，即不断尝试进行CAS操作直到成功或达到一定的尝试次数。如果CAS操作失败，线程会一直自旋等待，这会消耗处理器资源，会影响系统的性能。

3）只能保证一个变量的原子性：CAS操作只能保证一个变量的原子性，如果需要保证多个变量的一致性，需要使用其他的同步机制。

未完待续

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