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Java CAS 原理剖析
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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
- 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。
- 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。