本文轉載自聊聊CPU的LOCK指令
導語
在多線程操作中，可能最經常被提起的就是數據的可見性、原子性、有序性。不管是硬件方面、軟件方面都在這三方面做了很足的工作，才能保證程序的正常運行。
之前發表過一篇文章聊聊緩存一致性協議 如果感興趣的話可以去閱讀一下，里面談到了緩存一致性的實現和處理過程，讀完之后可以仔細去細想一下緩存一致性協議到底解決了什么問題。個人理解緩存一致性協議解決了CPU層面的可見性和一致性問題，閱讀到這里可以在這里停下來，仔細回想一下緩存一致性的原理，它通過監聽共享總線上消息，對自己緩存中的數據修改不同的狀態，來保證數據的一致性，對自己緩存中的數據失效后，下次讀取會從主存中直接讀取最新的數據 ，可以保證可見性，同時保證各緩存中的數據是一致的。
軟件的並發編程一樣，其實除了可見性、有序性，在計算機指令在執行的過程中，CPU通過不停地切換線程執行，給每個線程分配CPU時間片來實現多線程機制，一定也會存在原子性問題，在計算機層面是怎么解決原子性問題的，這就我們今天要聊的LOCK#指令，有時也被我們稱為總線鎖。
LOCK指令作用
在Intel® 64 and IA-32 Architectures Software Developer’s Manual 中的章節LOCK—Assert LOCK# Signal Prefix 中給出LOCK指令的詳細解釋
大至翻譯之后的意思如下
在CPU的LOCK信號被聲明之后，在此期隨同執行的指令會轉換成原子指令。在多處理器環境中，LOCK信號確保，在此信號被聲明之后，處理器獨占使用任何共享內存。
在不大多數IA-32和Inter64位處理器中，鎖可能在沒有LOCK#信號的時情況下發生。請參閱下面的“IA32體系結構兼容性”部分的詳細內容。
LOCK前綴只能預加在以下指令前面，並且只能加在這些形式的指令前面,其中目標操作數是內存操作數：
add、adc、and、btc、btr、bts、cmpxchg、cmpxch8b，cmpxchg16b，dec，inc，neg，not，or，sbb，sub，xor，xadd和xchg。如果LOCK前綴用上述列表中的指令並且源操作數是內存操作數(也就是指令沒有對內存進行寫操作)，可能會出現未定義的
操作碼異常（ud）。如果鎖前綴與任何不在上面列表中的指令一起使用，也將生成未定義的操作碼異常。
xchg指令不管有沒有聲明LOCK前綴，總是會聲明LOCK信號。鎖定前綴通常與BTS指令一起使用，在共享內存環境中，以對內存地址執行
讀-修改-寫操作。鎖定前綴的完整性不受內存字段對齊的影響。對於任意未對齊的字段，可以觀察到內存鎖定。
此指令的操作在非64位模式和64位模式下是相同的。
從P6系列處理器開始，當使用 LOCK 指令訪問的內存已經被處理器加載到緩存中時，LOCK# 信號通常不會斷言。取而代之的是，只鎖定處理器的緩存。在這里處理器的緩存一致性機制確保對內存進行的操作是原子性的。請參見“鎖定操作對內部處理器緩存的影響”，在Intel®64和IA-32體系結構軟件開發人員手冊第3A卷第8章中，有關鎖定緩存的詳細信息。
大致翻譯差不多如上，核心意思主要說明LOCK指令在聲明之后通過鎖定總線，獨占共享內存，通過一種排它的思想確保當前對內存操作的只有一個線程，然后確定在這段聲明期間指令執行不會被打斷，來保證其原子性。
處理器如何實現原子操作
首先處理器會保證基本的內存操作的原子性，比如從內存讀取或者寫入一個字節是原子的，但對於讀-改-寫、或者是其它復雜的內存操作是不能保證其原子性的，又比如跨總線寬度、跨多個緩存行和誇頁表的訪問，這時候需要處理器提供總線鎖和緩存鎖兩個機制來保證復雜的內存操作原子性
總線鎖
LOCK#信號就是我們經常說到的總線鎖，處理器使用LOCK#信號達到鎖定總線，來解決原子性問題，當一個處理器往總線上輸出LOCK#信號時，其它處理器的請求將被阻塞，此時該處理器此時獨占共享內存。
總線鎖這種做法鎖定的范圍太大了，導致CPU利用率急劇下降，因為使用LOCK#是把CPU和內存之間的通信鎖住了，這使得鎖定時期間，其它處理器不能操作其內存地址的數據 ，所以總線鎖的開銷比較大。
緩存鎖
如果訪問的內存區域已經緩存在處理器的緩存行中，P6系統和之后系列的處理器則不會聲明LOCK#信號，它會對CPU的緩存中的緩存行進行鎖定，在鎖定期間，其它 CPU 不能同時緩存此數據，在修改之后，通過緩存一致性協議來保證修改的原子性，這個操作被稱為“緩存鎖”
什么情況下使用總線鎖(LOCK#)
當操作的數據不能被緩存在處理器內部，或操作的數據跨多個緩存行時，也會使用總線鎖
因為從P6系列處理器開始才有緩存鎖，所以對於早些處理器是不支持緩存鎖定的，也會使用總線鎖
有些指令自帶總線鎖
BTS、BTR、BTC 、XADD、CMPXCHG、ADD、OR等，這些指令操作的內存區域就會加鎖，導致其它處理器不能同時訪問它。
在上面指令中的CMPXCHG就是JAVA里面CAS底層常用的指令，這個指令在執行的時候，會自動加總線鎖保，導致其它 處理器不能同時訪問，證其原子性。
LOCK#作用總結
- 鎖總線，其它CPU對內存的讀寫請求都會被阻塞，直到鎖釋放，因為鎖總線的開銷比較大，后來的處理器都采用鎖緩存替代鎖總線，在無法使用緩存鎖的時候會降級使用總線鎖
- lock期間的寫操作會回寫已修改的數據到主內存，同時通過緩存一致性協議讓其它CPU相關緩存行失效
寫在最后
總線鎖、緩存鎖可以保證原子性，緩存一致性協議可以保證可見性，那么JAVA中的內存模型，它做了些什么？下一篇聊聊JAVA中的內存模型（JMM）聊聊JMM