1 CAS理论

CAS，即一种对内存中的共享数据进行操作的指令，而且该操作是原子的读写操作。其过程如下：首先CPU将内存中的将要被修改的数据与预期的值进行比较，如果这两个值相等，CPU则会将内存中数值替换为新值，否则不做操作。java对于进行了支持，如AtomicInteger，AtomicStampedReference等，在Atomic包下的类。

优点：保证原子性，不使用锁，更轻量级。

缺点：
1.自旋时间消耗
2.只能保证一个变量的原子操作
3.ABA问题

2 原理

CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用，而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行，就为cmpxchg指令加上lock前缀（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在单处理器上运行，就省略lock前缀（单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性，不需要lock前缀提供的内存屏障效果）。

intel的手册对lock前缀 ：
1 确保对内存的读-改-写操作原子执行。
在Pentium及Pentium之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存。很显然，这会带来昂贵的开销。从Pentium 4，Intel Xeon及P6处理器开始，intel在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化：如果要访问的内存区域（area of memory）在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定（即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态），并且该内存区域被完全包含在单个缓存行（cache line）中，那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定（cache locking），缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销，但是当多处理器之间的竞争程度很高或者指令访问的内存地址未对齐时，仍然会锁住总线。

2 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。

3 把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。

在这里可以看到是用嵌入的汇编实现的, 关键CPU指令是 cmpxchg
到这里没法再往下找代码了. 也就是说CAS的原子性实际上是CPU实现的. 其实在这一点上还是有排他锁的. 只是比起用synchronized, 这里的排他时间要短的多. 所以在多线程情况下性能会比较好.

3 cpu 指令如何保证原子的

CPU提供了两种方法来实现多处理器的原子操作：总线加锁或者缓存加锁。

1 总线加锁：总线加锁就是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时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。但是这种处理方式显得有点儿霸道，不厚道，他把CPU和内存之间的通信锁住了，在锁定期间，其他处理器都不能其他内存地址的数据，其开销有点儿大。所以就有了缓存加锁。

2 缓存加锁（MESI协议）：其实针对于上面那种情况我们只需要保证在同一时刻对某个内存地址的操作是原子性的即可。缓存加锁就是缓存在内存区域的数据如果在加锁期间，当它执行锁操作写回内存时，处理器不在输出LOCK#信号，而是修改内部的内存地址，利用缓存一致性协议来保证原子性。缓存一致性机制可以保证同一个内存区域的数据仅能被一个处理器修改，也就是说当CPU1修改缓存行中的i时使用缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存了i的缓存行。

3.1缓存行加锁，MESI协议

LOCK#会锁总线，实际上这不现实 。当CPU不支持缓存锁定时，自然也只能用总线锁定了，比如说奔腾486以及更老的CPU。

MESI协议是以缓存行(缓存的基本数据单位，在Intel的CPU上一般是64字节)的几个状态来命名的(全名是Modified、Exclusive、Share or Invalid)。


缓存行的概念： 缓存是分段（line）的，一个段对应一块存储空间，我们称之为缓存行，它是CPU缓存中可分配的最小存储单元，大小32字节、64字节、128字节不等，这与CPU架构有关，通常来说是64字节。当CPU看到一条读取内存的指令时，它会把内存地址传递给一级数据缓存，一级数据缓存会检查它是否有这个内存地址对应的缓存段，如果没有就把整个缓存段从内存（或更高一级的缓存）中加载进来。注意，这里说的是一次加载整个缓存段，这就是上面提过的局部性原理。

缓存一致性协议有多种，但是日常处理的大多数计算机设备都属于”嗅探（snooping）”协议， 要求在每个缓存行上维护两个状态位，使得每个数据单位可能处于M、E、S和I这四种状态之一，各种状态含义如下：

  • M：被修改的。处于这一状态的数据，只在本CPU中有缓存数据，而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说，是已经被修改的，且没有更新到内存中。
  • E：独占的。处于这一状态的数据，只有在本CPU中有缓存，且其数据没有修改，即与内存中一致。
  • S：共享的。处于这一状态的数据在多个CPU中都有缓存，且与内存一致。
  • I：无效的。本CPU中的这份缓存已经无效。


  • 该协议约定的缓存上对应的监听：

  • 一个处于M状态的缓存行，必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。

  • 一个处于S状态的缓存行，必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为I。
  • 一个处于E状态的缓存行，必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作，如果监听到，则必须把其缓存行状态设置为S。

当CPU需要读取数据时，如果其缓存行的状态是I的，则需要从内存中读取，并把自己状态变成S，如果不是I，则可以直接读取缓存中的值，但在此之前，必须要等待其他CPU的监听结果，如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M，则需要等待其把缓存更新到内存之后，再读取。
当CPU需要写数据时，只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行，否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership，这是一种总线事务)，通知其他CPU置缓存无效(I)，这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后，修改其缓存状态为M。
所以如果一个变量在某段时间只被一个线程频繁地修改，则使用其内部缓存就完全可以办到，不涉及到总线事务，如果缓存一会被这个CPU独占、一会被那个CPU独占，这时才会不断产生RFO指令影响到并发性能。这里说的缓存频繁被独占并不是指线程越多越容易触发，而是这里的CPU协调机制，这有点类似于有时多线程并不一定提高效率，原因是线程挂起、调度的开销比执行任务的开销还要大，这里的多CPU也是一样，如果在CPU间调度不合理，也会形成RFO指令的开销比任务开销还要大。当然，这不是编程者需要考虑的事，操作系统会有相应的内存地址的相关判断，这不在本文的讨论范围之内。
并非所有情况都会使用缓存一致性的，如被操作的数据不能被缓存在CPU内部或操作数据跨越多个缓存行(状态无法标识)，则处理器会调用总线锁定；另外。

这里的I、S和M状态已经有了对应的概念：失效/未载入、干净以及脏的缓存段。所以这里新的知识点只有E状态，代表独占式访问，这个状态解决了”在我们开始修改某块内存之前，我们需要告诉其它处理器”这一问题：只有当缓存行处于E或者M状态时，处理器才能去写它，也就是说只有在这两种状态下，处理器是独占这个缓存行的。当处理器想写某个缓存行时，如果它没有独占权，它必须先发送一条”我要独占权”的请求给总线，这会通知其它处理器把它们拥有的同一缓存段的拷贝失效（如果有）。只有在获得独占权后，处理器才能开始修改数据——并且此时这个处理器知道，这个缓存行只有一份拷贝，在我自己的缓存里，所以不会有任何冲突。
反之，如果有其它处理器想读取这个缓存行（马上能知道，因为一直在嗅探总线），独占或已修改的缓存行必须先回到”共享”状态。如果是已修改的缓存行，那么还要先把内容回写到内存中

4 ABA问题的解决

1.加时间戳或者版本号。

java使用AtomicStampedReference这个类完成版本检测，解决ABA问题。

2.变量是否被改变的检测。

java使用AtomicMarkableReference完成变量是否被修改过。