原文：http://faculty.ycp.edu/~dhovemey/spring2011/cs365/lecture/lecture20.html

示例程式碼：AtomicInstructions.zip

原子指令

原子指令是特殊的硬體指令，以不可分的方式對一個或多個記憶體位置執行操作。無論其他處理器執行什麼指令，原子操作都會成功或完全失敗。

原子指令可以用來做同步處理。由於原子指令可用於更改共享資料而無需獲取和釋放鎖，因此可以實現更高的並行性。但是，由於它們是低層的，並且只能對資料結構進行小的更新，因此使用它們來實現並行資料結構是一項艱鉅的任務。

原子指令的例子：

• 原子增量 atomic increment

• 原子交換暫存器和記憶體位置 atomic exchange register and
  memory location

• 比較與交換 compare and swap

比較與交換

比較與交換（CAS）通常用作無鎖資料結構的基元。它的行為由以下C函式描述，其中“ATOMIC {…}表示以原子方式執行的程式碼塊：

int compareAndSwap（int * loc，int expectedValue，int valueToStore）{
        ATOMIC {
                int val = * loc;
                if（val == expectedValue）{
                        * loc = valueToStore;
                }
                返回;
        }
}
 

（上面的函式假定記憶體位置的內容是一個整數，但它可以是任何原始資料型別，包括指標型別。）

Java中的原子指令

java.util.concurrent.atomic中封裝 表示記憶體位置的資料型別，其記憶體位置可以通過原子機器指令訪問（如果主機CPU具有所需的硬體指令）。
這些資料型別類似於內建的“wrapper”資料型別，例如java.lang.Integer，它們用於定義封裝原始值的物件。

AtomicInteger是具有原子操作的共享整數，AtomicReference是具有原子操作的共享引用（指標）等。

應用

共享計數器
原子增量操作可用於實現共享計數器。
偽隨機數生成器

1. 獲取當前種子值
2. 使用遞推方程生成下一個種子
3. 儲存更新的種子值
4. 返回下一個種子值派生的值

步驟1-3必須以原子方式執行，因為當不同的執行緒同時請求序列的下一個成員時，它們不能返回相同的成員。可以使用互斥鎖確保原子性，但如果許多執行緒同時使用生成器，則產生的競爭可能會降低效能（因為執行緒爭用互斥鎖。）步驟1-3必須以原子方式執行，因為當不同的執行緒同時請求序列的下一個成員時，它們不能返回相同的成員。可以使用互斥鎖確保原子性，但如果許多執行緒同時使用生成器，則產生的競爭可能會降低效能（因為執行緒爭用互斥鎖。）
CAS操作可用於實現樂觀併發。完成上述演算法中的步驟1-2而不獲取鎖。僅當沒有其他執行緒更改它時，步驟3才使用CAS操作來儲存更新的下一個種子值 。如果CAS成功，則執行步驟4並完成操作。如果CAS失敗，因為另一個執行緒更新了種子，則操作返回到步驟1並再次嘗試。
佇列資料結構
這是一篇描述使用CAS操作而不是互斥鎖實現的佇列資料結構的文章：Michael，Maged和Scott，Michael。 簡單，快速，實用的非阻塞和阻塞併發佇列演算法，PODC 1996。
這些演算法也在Michael Scott的網站上作為虛擬碼：
http://www.cs.rochester.edu/research/synchronization/pseudocode/queues.html
本文還描述了一種基於鎖的佇列演算法，其中使用單獨的鎖來保護佇列的頭部和尾部，允許並行和出列操作並行進行。