在多线程编程中，对某一资源的同步操作是保证资源状态一致性的关键。这个需要同步的资源可以是单个简单的变量，也可以是多个变量，或者是某些外部资源。对他们同步操作的含义就是同一时间点，最多只能有一个线程在操作这些资源，也就是排他性。并且一系列操作必须一气呵成，中间不允许其他线程做相关的操作，这就是原子性。所以我们在程序中需要让一段代码，在同一时间最多只能有一个线程执行。在Java里我们有Synchronized关键字来标注一段代码在任意时刻只能最多有一个线程在执行。在新的Java Concurrent包里边提供了Lock相关的类。通过Lock我们可以实现与Synchronized同样的效果。这段代码通常我们叫它临界区(Critical Section)。
但是Lock和Synchronize是怎么实现的呢？
从代码上看起来好像在某个地方有个开关。一个线程执行到临界区时，检查这个开关，如果是0代表可以进入，然后把开关设成1,进入，退出，把开关设成0。看起来很完美？其实没有那么简单。因为你这个开关本身可能被多个线程同时检查，它们同时检查到了0，同时进入。。啊 这可不好。再弄个开关？好像陷入无穷无尽的开关也解决不了问题。更天才的想法是，把自己的线程号赋予这个变量，然后等待一小段时间，再检查这个变量是不是自己的进程号，如果是自己，恭喜抢到了。等一小段时间是为了防止其它线程同时检查了，并在你检查之后写了它的线程号。但是，这个等待时间可能很难确定，CPU的线程调度让以上线程间的操作无序且无法知道。看看，这个问题真的貌似不好通过简单的程序诡计解决啊。也许你可以想出更天才的纯软件解决方案，但它可能不那么可靠或者高效。
软件解决不了的问题，其实利用硬件很容易解决。大多CPU都提供了原子操作。请参考开头我提到的文档。CPU保证了某些对单个变量的比较和交换操作是原子的。也就是比较某个数是不是你预期的，如果是，赋予你给的变量，否则不做操作。可以想象CPU在执行此类指令时，可能要暂停多核情况下其它核心的执行，霸占总线，让这个操作不被打断-除非一个CPU周期就可以做完，并且可能要清理CPU的缓存。。。 但是这些还是比我们上边提到的纯软件方法快速且靠谱。
好了，回头看看我们的Java怎么用到CMPXCHG的。
首先进入Java世界。请看ReentrantLock$FairSync.tryAcquire。有没有看到一句话跟我们说的CMPXCHG是同义词？对了，就是compareAndSetState(0, acquires)。一路着下去。。 到了Unsafe.compareAndSwapInt(针对Sun/Oracle Java).这个方法是native的-我们到达了Java世界的边缘。
然后，让我们进入C++的世界。请找到OpenJDK的unsafe.cpp。找到：
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper(“Unsafe_CompareAndSwapInt”);
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
是不是找到了atomic.cpp。你看到了很多平台判断的预处理指令。啊，神奇的预处理，C语言实现跨平台的法宝。看起来到此为止，我们也到达了C/C++世界的边缘。
最后，汇编语言-CPU指令的等价符号。找个比较亲民的平台的把，x86下的atomic_linux_x86.inline.hpp。是的HPP，这里还不是.S。因为C/Ｃ++跟汇编的世界交界处不像到Java的世界那样有一堵不透风的墙。汇编可以自由的嵌入C/C++。到此我们终于找到了CPU指令了。
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::is_MP();
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) “cmpxchgl %1,(%3)”
: “=a” (exchange_value)
: “r” (exchange_value), “a” (compare_value), “r” (dest), “r” (mp)
: “cc”, “memory”);
return exchange_value;
}
接下来还有CPU微指令，逻辑电路，这里大概就是软件和硬件世界的边缘了。