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Java CAS 原理剖析

本文转载来自卡巴拉的树的Java CAS 原理剖析

在Java并发中，我们最初接触的应该就是synchronized关键字了，但是synchronized属于重量级锁，很多时候会引起性能问题，volatile也是个不错的选择，但是volatile不能保证原子性，只能在某些场合下使用。

像synchronized这种独占锁属于悲观锁，它是在假设一定会发生冲突的，那么加锁恰好有用，除此之外，还有乐观锁，乐观锁的含义就是假设没有发生冲突，那么我正好可以进行某项操作，如果要是发生冲突呢，那我就重试直到成功，乐观锁最常见的就是CAS。

我们在读Concurrent包下的类的源码时，发现无论是ReenterLock内部的AQS，还是各种Atomic开头的原子类，内部都应用到了CAS，最常见的就是我们在并发编程时遇到的i++这种情况。传统的方法肯定是在方法上加上synchronized关键字:


public class Test {

    public volatile int i;

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

但是这种方法在性能上可能会差一点，我们还可以使用AtomicInteger，就可以保证i原子的++了。


public class Test {



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

我们来看getAndIncrement的内部：


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;

}

这里我们见到compareAndSwapInt这个函数，它也是CAS缩写的由来。那么仔细分析下这个函数做了什么呢？

首先我们发现compareAndSwapInt前面的this，那么它属于哪个类呢，我们看上一步getAndAddInt，前面是unsafe。这里我们进入的Unsafe类。这里要对Unsafe类做个说明。结合AtomicInteger的定义来说：


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数据定义的部分，我们可以看到，其实实际存储的值是放在value中的，除此之外我们还获取了unsafe实例，并且定义了valueOffset。再看到static块，懂类加载过程的都知道，static块的加载发生于类加载的时候，是最先初始化的，这时候我们调用unsafe的objectFieldOffset从Atomic类文件中获取value的偏移量，那么valueOffset其实就是记录value的偏移量的。

再回到上面一个函数getAndAddInt，我们看var5获取的是什么，通过调用unsafe的getIntVolatile(var1, var2)，这是个native方法，具体实现到JDK源码里去看了，其实就是获取var1中，var2偏移量处的值。var1就是AtomicInteger，var2就是我们前面提到的valueOffset,这样我们就从内存里获取到现在valueOffset处的值了。

现在重点来了，compareAndSwapInt（var1, var2, var5, var5 + var4）其实换成compareAndSwapInt（obj, offset, expect, update）比较清楚，意思就是如果obj内的value和expect相等，就证明没有其他线程改变过这个变量，那么就更新它为update，如果这一步的CAS没有成功，那就采用自旋的方式继续进行CAS操作，取出乍一看这也是两个步骤了啊，其实在JNI里是借助于一个CPU指令完成的。所以还是原子操作。

1. CAS底层原理

CAS底层使用JNI调用C代码实现的，如果你有Hotspot源码，那么在Unsafe.cpp里可以找到它的实现：


static JNINativeMethod methods_15[] = {

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

我们可以看到compareAndSwapInt实现是在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是取出的对象，addr是p中offset处的地址，最后调用了Atomic::cmpxchg(x, addr, e), 其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。代码中能看到cmpxchg有基于各个平台的实现，这里我选择Linux X86平台下的源码分析：


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;
}

这是一段小汇编，__asm__说明是ASM汇编，__volatile__禁止编译器优化


// 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判断当前系统是否为多核系统，如果是就给总线加锁，所以同一芯片上的其他处理器就暂时不能通过总线访问内存，保证了该指令在多处理器环境下的原子性。

在正式解读这段汇编前，我们来了解下嵌入汇编的基本格式：


asm ( assembler template

    : output operands                  /* optional */

    : input operands                   /* optional */

    : list of clobbered registers      /* optional */

    );
  • template就是cmpxchgl %1,(%3)表示汇编模板
  • output operands表示输出操作数,=a对应eax寄存器
  • input operand 表示输入参数，%1 就是exchange_value, %3是dest, %4就是mp， r表示任意寄存器，a还是eax寄存器
  • list of clobbered registers就是些额外参数，cc表示编译器cmpxchgl的执行将影响到标志寄存器, memory告诉编译器要重新从内存中读取变量的最新值，这点实现了volatile的感觉。

那么表达式其实就是cmpxchgl exchange_value ,dest，我们会发现%2也就是compare_value没有用上，这里就要分析cmpxchgl的语义了。cmpxchgl末尾l表示操作数长度为4，上面已经知道了。cmpxchgl会默认比较eax寄存器的值即compare_value和exchange_value的值，如果相等，就把dest的值赋值给exchange_value,否则，将exchange_value赋值给eax。具体汇编指令可以查看Intel手册CMPXCHG

最终，JDK通过CPU的cmpxchgl指令的支持，实现AtomicInteger的CAS操作的原子性。

2. CAS 的问题

  1. ABA问题

CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化，如果没有发生变化则更新，但是如果一个值原来是A，变成了B，又变成了A，那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化，但是实际上却变化了。这就是CAS的ABA问题。 常见的解决思路是使用版本号。在变量前面追加上版本号，每次变量更新的时候把版本号加一，那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。 目前在JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。这个类的compareAndSet方法作用是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

  1. 循环时间长开销大

上面我们说过如果CAS不成功，则会原地自旋，如果长时间自旋会给CPU带来非常大的执行开销。