Java CAS 原理剖析

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在Java并發(fā)中，我們最初接觸的應(yīng)該就是synchronized關(guān)鍵字了，但是synchronized屬于重量級鎖，很多時候會引起性能問題，volatile也是個不錯的選擇，但是volatile不能保證原子性，只能在某些場合下使用。

像synchronized這種獨占鎖屬于悲觀鎖，它是在假設(shè)一定會發(fā)生沖突的，那么加鎖恰好有用，除此之外，還有樂觀鎖，樂觀鎖的含義就是假設(shè)沒有發(fā)生沖突，那么我正好可以進行某項操作，如果要是發(fā)生沖突呢，那我就重試直到成功，樂觀鎖最常見的就是CAS。

我們在讀Concurrent包下的類的源碼時，發(fā)現(xiàn)無論是ReenterLock內(nèi)部的AQS，還是各種Atomic開頭的原子類，內(nèi)部都應(yīng)用到了CAS，最常見的就是我們在并發(fā)編程時遇到的i++這種情況。傳統(tǒng)的方法肯定是在方法上加上synchronized關(guān)鍵字:

public class Test {

    public volatile int i;

    public synchronized void add() {
        i++;
    }
}

但是這種方法在性能上可能會差一點，我們還可以使用AtomicInteger，就可以保證i原子的++了。

public class Test {



    public AtomicInteger i;
    
    public void add() {
        i.getAndIncrement();
    }
}

我們來看getAndIncrement的內(nèi)部：

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

再深入到getAndAddInt():

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {

    int var5;

    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;

}

這里我們見到compareAndSwapInt這個函數(shù)，它也是CAS縮寫的由來。那么仔細分析下這個函數(shù)做了什么呢？

首先我們發(fā)現(xiàn)compareAndSwapInt前面的this，那么它屬于哪個類呢，我們看上一步getAndAddInt，前面是unsafe。這里我們進入的Unsafe類。這里要對Unsafe類做個說明。結(jié)合AtomicInteger的定義來說：

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {

    private static final long serialVersionUID = 6214790243416807050L;
    
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;
    
    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }
    
    private volatile int value;
    ...

在AtomicInteger數(shù)據(jù)定義的部分，我們可以看到，其實實際存儲的值是放在value中的，除此之外我們還獲取了unsafe實例，并且定義了valueOffset。再看到static塊，懂類加載過程的都知道，static塊的加載發(fā)生于類加載的時候，是最先初始化的，這時候我們調(diào)用unsafe的objectFieldOffset從Atomic類文件中獲取value的偏移量，那么valueOffset其實就是記錄value的偏移量的。

再回到上面一個函數(shù)getAndAddInt，我們看var5獲取的是什么，通過調(diào)用unsafe的getIntVolatile(var1, var2)，這是個native方法，具體實現(xiàn)到JDK源碼里去看了，其實就是獲取var1中，var2偏移量處的值。var1就是AtomicInteger，var2就是我們前面提到的valueOffset,這樣我們就從內(nèi)存里獲取到現(xiàn)在valueOffset處的值了。

現(xiàn)在重點來了，compareAndSwapInt（var1, var2, var5, var5 + var4）其實換成compareAndSwapInt（obj, offset, expect, update）比較清楚，意思就是如果obj內(nèi)的value和expect相等，就證明沒有其他線程改變過這個變量，那么就更新它為update，如果這一步的CAS沒有成功，那就采用自旋的方式繼續(xù)進行CAS操作，取出乍一看這也是兩個步驟了啊，其實在JNI里是借助于一個CPU指令完成的。所以還是原子操作。

1. CAS底層原理

CAS底層使用JNI調(diào)用C代碼實現(xiàn)的，如果你有Hotspot源碼，那么在Unsafe.cpp里可以找到它的實現(xiàn)：

static JNINativeMethod methods_15[] = {

    //省略一堆代碼...
    {CC"compareAndSwapInt",  CC"("OBJ"J""I""I"")Z",      FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapInt)},
    {CC"compareAndSwapLong", CC"("OBJ"J""J""J"")Z",      FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapLong)},
    //省略一堆代碼...
};

我們可以看到compareAndSwapInt實現(xiàn)是在Unsafe_CompareAndSwapInt里面，再深入到Unsafe_CompareAndSwapInt:

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

p是取出的對象，addr是p中offset處的地址，最后調(diào)用了Atomic::cmpxchg(x, addr, e), 其中參數(shù)x是即將更新的值，參數(shù)e是原內(nèi)存的值。代碼中能看到cmpxchg有基于各個平臺的實現(xiàn)，這里我選擇Linux X86平臺下的源碼分析：

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;
}

這是一段小匯編，__asm__說明是ASM匯編，__volatile__禁止編譯器優(yōu)化

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine

#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "

os::is_MP判斷當前系統(tǒng)是否為多核系統(tǒng)，如果是就給總線加鎖，所以同一芯片上的其他處理器就暫時不能通過總線訪問內(nèi)存，保證了該指令在多處理器環(huán)境下的原子性。

在正式解讀這段匯編前，我們來了解下嵌入?yún)R編的基本格式：

asm ( assembler template

    : output operands                  /* optional */

    : input operands                   /* optional */

    : list of clobbered registers      /* optional */

    );

• template就是cmpxchgl %1,(%3)表示匯編模板
• output operands表示輸出操作數(shù),=a對應(yīng)eax寄存器
• input operand 表示輸入?yún)?shù)，%1 就是exchange_value, %3是dest, %4就是mp， r表示任意寄存器，a還是eax寄存器
• list of clobbered registers就是些額外參數(shù)，cc表示編譯器cmpxchgl的執(zhí)行將影響到標志寄存器, memory告訴編譯器要重新從內(nèi)存中讀取變量的最新值，這點實現(xiàn)了volatile的感覺。

那么表達式其實就是cmpxchgl exchange_value ,dest，我們會發(fā)現(xiàn)%2也就是compare_value沒有用上，這里就要分析cmpxchgl的語義了。cmpxchgl末尾l表示操作數(shù)長度為4，上面已經(jīng)知道了。cmpxchgl會默認比較eax寄存器的值即compare_value和exchange_value的值，如果相等，就把dest的值賦值給exchange_value,否則，將exchange_value賦值給eax。具體匯編指令可以查看Intel手冊CMPXCHG

最終，JDK通過CPU的cmpxchgl指令的支持，實現(xiàn)AtomicInteger的CAS操作的原子性。

2. CAS 的問題

1. ABA問題

CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發(fā)生變化，如果沒有發(fā)生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那么使用CAS進行檢查時會發(fā)現(xiàn)它的值沒有發(fā)生變化，但是實際上卻變化了。這就是CAS的ABA問題。 常見的解決思路是使用版本號。在變量前面追加上版本號，每次變量更新的時候把版本號加一，那么A-B-A 就會變成1A-2B-3A。 目前在JDK的atomic包里提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等于預(yù)期引用，并且當前標志是否等于預(yù)期標志，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標志的值設(shè)置為給定的更新值。

1. 循環(huán)時間長開銷大

上面我們說過如果CAS不成功，則會原地自旋，如果長時間自旋會給CPU帶來非常大的執(zhí)行開銷。