前言
上节我们讲了并发编程中最基本的两个元素的底层实现，同样并发编程中还有一个很重要的元素，就是原子操作，原子本意是不可以再被分割的最小粒子，原子操作就是指不可中断的一个或者一系列操作。那么今天我们就来看看在多处理器环境下Java是如何保证原子操作的，ok，开始我们今天的并发编程之旅吧。
处理器如何实现原子操作
处理器自身会自动保证基本的内存操作原子性，保证从系统内存中读取或者写入一个字节动作是原子性的，也就是说，当处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问该字节的内存地址。但是处理器自身只能保证基本的内存操作原子性，对于复杂的操作例如跨总线、跨多个缓存行和跨页表的访问，处理器自身是无法保证原子操作的，只能通过下面两种机制来保证操作原子性：
使用总线锁保证原子性：假设多个处理器同时处理一个共享变量，如果没有锁机制，就会出现同一个共享变量同一时刻被多个处理器同时处理的情况，就会造成结果的不一致性，例如i=1，我们要进行2次i++，就会出现i=2和i=3两种结果情况。很明显这不是我们要的结果，所以要想保证读写共享变量的操作是原子性的，就必须保证当处理器1在操作共享变量时，处理器2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存。
因此引出了总线锁，总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK#信号，当一个处理器在总线上输出此信号，其他处理器的请求将被阻塞，那么该处理器就能独占共享内存；
可以想象为：公司有一个会议室（共享内存），各个部门（处理器）开会都在会议室进行，当有一个部门占用会议室时，就会在会议室门口或者公司群里通知会议室此时被占用，那么其他部门的会议就得先等着（阻塞），等该部门结束会议才能开始下一个会议。
总线锁的缺点：总线锁把CPU和内存之间的通信锁住了，在锁期间，其他处理器不能操作其他内存地址的数据，开销比较大。
Java中如何实现原子操作
Java中主要通过下面两种方式来实现原子操作：锁和循环CAS
锁机制实现原子操作
锁机制保证了只有获得锁的线程才能操作锁定的内存区域，JVM内部实现了很多种锁，偏向锁、轻量级锁和互斥锁，等等，这里就先不对锁进行详细介绍了，偏向锁和轻量级锁，上文也有提到过，感兴趣的可以通过文章末尾点击查阅，这些锁中，除了偏向锁，其他锁的方式都使用了循环CAS，那么我们来看下CAS相关内容。
什么是CAS操作
CAS全称Compare-and-Swap（比较并交换），JVM中的CAS操作是依赖处理器提供的cmpxchg指令完成的，CAS指令中有3个操作数，分别是内存位置V、旧的预期值A和新值B。
CAS指令如何保证原子性
当CAS指令执行时，当且仅当内存位置V符合旧预期值时A时，处理器才会用新值B去更新V的值，否则就不执行更新，但是无论是否更新V，都会返回V的旧值，该操作过程就是一个原子操作，JDK1.5之后才可以使用CAS，由sun.misc.Unsafe类里面的compareAndSwapInt()和compareAndSwapLong()等方法包装实现，虚拟机在即时编译时，对这些方法做了特殊处理，会编译出一条相关的处理器CAS指令；
但是由Unsafe方法是虚拟机自己调用的，不能直接供用户程序调用，我们只能通过J.U.C包下的类来间接调用，如AtomicInteger和AtomicLong类，这些类中的方法都以原子的方式来进行操作，例如AtomicInteger的incrementAndGet方法中就是使用了compareAndSet，compareAndSet和getAndIncrement等方法都是使用Unsafe的CAS操作；
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
先获取到当前的 value 属性值，然后将 value 加 1，赋值给一个局部的 next 变量，然而，这两步都是非线程安全的，但是内部有一个死循环（循环CAS或者称自旋CAS），不断去做compareAndSet操作，直到成功为止，也就是修改的根本在compareAndSet方法里面
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
compareAndSwapInt上面提到了是Unsafe类的方法，是基于CAS指令的，其实compareAndSwapInt方法的声明是一个native本地方法
publicfinal native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, intvar5);
CAS实现操作的三大问题
CAS虽然很好的解决了原子操作问题，但是仍然存在下面3种问题
ABA问题：使用CAS时因为会先去检查内存位置的旧值A有没有发生变化，发生变化则更新最新值B，但是存在一种情况就是，初次读取内存旧值时是A，再次检查之前这段期间，如果内存位置的值发生过从A变成B再变回A的过程，我们就会错误的检查到旧值还是A，认为没有发生变化，其实已经发生过A-B-A得变化，这就是CAS操作的ABA问题；
解决ABA问题的思路：使用版本号，即1A-2B-3A，这样就会发现1A到3A的变化，不存在ABA变化无感知问题，JDK的atomic包中提供一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference来解决ABA问题，它可以通过控制变量值得版本号来保证CAS的正确性。该类的compareAndSet方法会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，如果都相等则以原子方式该引用和该标志的值进行更新。
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；
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，可以使用循环CAS来保证原子操作，但是多个共享变量操作时，就无法保证了。
解决方法
结合上节内容，我们就将并发底层最重要的三个元素实现原理讲了一遍，这里面或多或少有些概念或者操作，大家看得有些模糊，不用担心，后续我们还会继续探讨
