JavaCAS底層實(shí)現(xiàn)原理實(shí)例詳解

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一、CAS（compareAndSwap）的概念

CAS，全稱Compare And Swap（比較與交換），解決多線程并行情況下使用鎖造成性能損耗的一種機(jī)制。

CAS（V, A, B），V為內(nèi)存地址、A為預(yù)期原值，B為新值。如果內(nèi)存地址的值與預(yù)期原值相匹配，那么將該位置值更新為新值。否則，說(shuō)明已經(jīng)被其他線程更新，處理器不做任何操作；無(wú)論哪種情況，它都會(huì)在 CAS 指令之前返回該位置的值。而我們可以使用自旋鎖，循環(huán)CAS，重新讀取該變量再嘗試再次修改該變量，也可以放棄操作。

二、CAS（compareAndSwap）的產(chǎn)生

為什么需要CAS機(jī)制呢？我們先從一個(gè)錯(cuò)誤現(xiàn)象談起。我們經(jīng)常使用volatile關(guān)鍵字修飾某一個(gè)變量，表明這個(gè)變量是全局共享的一個(gè)變量，同時(shí)具有了可見性和有序性。但是卻沒有原子性。比如說(shuō)一個(gè)常見的操作a++。這個(gè)操作其實(shí)可以細(xì)分成三個(gè)步驟：

（1）從內(nèi)存中讀取a

（2）對(duì)a進(jìn)行加1操作

（3）將a的值重新寫入內(nèi)存中

在單線程狀態(tài)下這個(gè)操作沒有一點(diǎn)問題，但是在多線程中就會(huì)出現(xiàn)各種各樣的問題了。因?yàn)榭赡芤粋€(gè)線程對(duì)a進(jìn)行了加1操作，還沒來(lái)得及寫入內(nèi)存，其他的線程就讀取了舊值。造成了線程的不安全現(xiàn)象。

Volatile關(guān)鍵字可以保證線程間對(duì)于共享變量的可見性可有序性，可以防止CPU的指令重排序(DCL單例)，但是無(wú)法保證操作的原子性，所以jdk1.5之后引入CAS利用CPU原語(yǔ)保證線程操作的院子性。

CAS操作由處理器提供支持，是一種原語(yǔ)。原語(yǔ)是操作系統(tǒng)或計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)用語(yǔ)范疇。是由若干條指令組成的，用于完成一定功能的一個(gè)過(guò)程，具有不可分割性，即原語(yǔ)的執(zhí)行必須是連續(xù)的，在執(zhí)行過(guò)程中不允許被中斷。如 Intel 處理器，比較并交換通過(guò)指令的 cmpxchg 系列實(shí)現(xiàn)。

三、CAS（compareAndSwap）的原理探究

CAS的實(shí)現(xiàn)主要在JUC中的atomic包，我們以AtomicInteger類為例：

通過(guò)代碼追溯，可以看出JAVA中的CAS操作都是通過(guò)sun包下Unsafe類實(shí)現(xiàn)，而Unsafe類中的方法都是native方法，由JVM本地實(shí)現(xiàn)，所以最終的實(shí)現(xiàn)是基于C、C++在操作系統(tǒng)之上操作

Unsafe類，在sun.misc包下，不屬于Java標(biāo)準(zhǔn)。Unsafe類提供一系列增加Java語(yǔ)言能力的操作，如內(nèi)存管理、操作類/對(duì)象/變量、多線程同步等

//var1為CAS操作的對(duì)象，offset為var1某個(gè)屬性的地址偏移值，expected為期望值，var2為要設(shè)置的值，利用JNI來(lái)完成CPU指令的操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);
public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);

Hotspot源碼中關(guān)于unsafe的實(shí)現(xiàn)hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cpp
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);根據(jù)偏移量,計(jì)算value的地址。這里的offset就是 AtomaicInteger中的valueOffset
 jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
 return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END\hotspot\src\share\vm\runtime\atomic.cppunsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value,
             volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value) {
 assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");
 return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
                    (jint)compare_value);
}根據(jù)操作系統(tǒng)類型調(diào)用不同平臺(tái)下的重載函數(shù)，這個(gè)在預(yù)編譯期間編譯器會(huì)決定調(diào)用哪個(gè)平臺(tái)下的重載

可以看到調(diào)用了“Atomic::cmpxchg”方法，“Atomic::cmpxchg”方法在linux_x86和windows_x86的實(shí)現(xiàn)如下

linux_x86底層實(shí)現(xiàn)\hotspot\src\os_cpu\linux_x86\vm\atomic_linux_x86.inline.hpp
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;
}

windows_x86底層實(shí)現(xiàn)
hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vmatomic_linux_x86.inline.hpp
inline jint   Atomic::cmpxchg  (jint   exchange_value, volatile jint*   dest, jint   compare_value) {
 // alternative for InterlockedCompareExchange
 int mp = os::is_MP();
 __asm {
  mov edx, dest
  mov ecx, exchange_value
  mov eax, compare_value
  LOCK_IF_MP(mp)
  cmpxchg dword ptr [edx], ecx
 }
}

總結(jié)：根據(jù)資料查詢，其實(shí)CAS底層實(shí)現(xiàn)根據(jù)不同的操作系統(tǒng)會(huì)有不同重載，CAS的實(shí)現(xiàn)離不開處理器的支持。

核心代碼就是一條帶lock 前綴的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx

Atomic::cmpxchg方法解析：

mp是“os::is_MP()”的返回結(jié)果，“os::is_MP()”是一個(gè)內(nèi)聯(lián)函數(shù)，用來(lái)判斷當(dāng)前系統(tǒng)是否為多處理器。

如果當(dāng)前系統(tǒng)是多處理器，該函數(shù)返回1。

否則，返回0。

LOCK_IF_MP(mp)會(huì)根據(jù)mp的值來(lái)決定是否為cmpxchg指令添加lock前綴。

如果通過(guò)mp判斷當(dāng)前系統(tǒng)是多處理器（即mp值為1），則為cmpxchg指令添加lock前綴。

否則，不加lock前綴。

這是一種優(yōu)化手段，認(rèn)為單處理器的環(huán)境沒有必要添加lock前綴，只有在多核情況下才會(huì)添加lock前綴，因?yàn)閘ock會(huì)導(dǎo)致性能下降。cmpxchg是匯編指令，作用是比較并交換操作數(shù)。

四、CAS機(jī)制的優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 優(yōu)點(diǎn)

cas是一種樂觀鎖，而且是一種非阻塞的輕量級(jí)的樂觀鎖，什么是非阻塞式的呢？其實(shí)就是一個(gè)線程想要獲得鎖，對(duì)方會(huì)給一個(gè)回應(yīng)表示這個(gè)鎖能不能獲得。在資源競(jìng)爭(zhēng)不激烈的情況下性能高，相比synchronized重量鎖，synchronized會(huì)進(jìn)行比較復(fù)雜的加鎖，解鎖和喚醒操作。

4.2 缺點(diǎn)

1）循環(huán)時(shí)間長(zhǎng)開銷大，占用CPU資源

2）只能保證一個(gè)共享變量的原子操作

3）ABA問題

4.3 解決ABA問題

1）添加版本號(hào)

2）AtomicStampedReference

java并發(fā)包為了解決這個(gè)問題，提供了一個(gè)帶有標(biāo)記的原子引用類“AtomicStampedReference”，它可以通過(guò)控制變量值的版本來(lái)保證CAS的正確性。因此，在使用CAS前要考慮清楚“ABA”問題是否會(huì)影響程序并發(fā)的正確性，如果需要解決ABA問題，改用傳統(tǒng)的互斥同步可能會(huì)比原子類更高效。

五、CAS使用的時(shí)機(jī)

5.1 線程數(shù)較少、等待時(shí)間短可以采用自旋鎖進(jìn)行CAS嘗試拿鎖，較于synchronized高效

5.2 線程數(shù)較大、等待時(shí)間長(zhǎng)，不建議使用自旋鎖，占用CPU較高

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容，希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助，也希望大家多多支持創(chuàng)新互聯(lián)。

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