Java魔法类之Unsafe(cas)底层实现
一、JVM层
在java.util.concurrent包下面的很多类为了追求性能都采用了sun.misc.Unsafe类中的CAS操作，从而避免使用synchronized等加锁方式带来性能上的不足。
在sun.misc.Unsafe中CAS方法如下：
/**
* CAS
* @param o 包含要修改field的对象
* @param offset 对象中某field的偏移量
* @param expected 期望值
* @param update 更新值
* @return true | false
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int update);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);
这三个方法都是native方法，可以查看hotspot源码查看其底层实现：(hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp)
#define FN_PTR(f) CAST_FROM_FN_PTR(void*, &f)
{CC"compareAndSwapObject", CC"("OBJ"J"OBJ""OBJ")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapObject)},
{CC"compareAndSwapInt", CC"("OBJ"J""I""I"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapInt)},
{CC"compareAndSwapLong", CC"("OBJ"J""J""J"")Z", FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapLong)},
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapObject(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jobject e_h, jobject x_h))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapObject");
oop x = JNIHandles::resolve(x_h); // 更新值
oop e = JNIHandles::resolve(e_h); // 期望值
oop p = JNIHandles::resolve(obj); // 更新对象
// 根据偏移量offset获取内存中的具体位置
HeapWord* addr = (HeapWord *)index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
oop res = oopDesc::atomic_compare_exchange_oop(x, addr, e, true); // 调用方法执行CAS操作
jboolean success = (res == e); // 如果返回值res==e则表明满足compare条件，swap成功
if (success)
update_barrier_set((void*)addr, x); // 更新memory barrier
return success;
UNSAFE_END
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
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapLong(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jlong e, jlong x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapLong");
Handle p (THREAD, JNIHandles::resolve(obj));
jlong* addr = (jlong*)(index_oop_from_field_offset_long(p(), offset));
if (VM_Version::supports_cx8())
return (jlong)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
else {
jboolean success = false;
ObjectLocker ol(p, THREAD);
if (*addr == e) { *addr = x; success = true; }
return success;
}
UNSAFE_END
先来看下Unsafe_CompareAndSwapObject方法，该方法通过调用index_oop_from_field_offset_long方法找到需要执行CAS对象的具体地址，然后调用atomic_compare_exchange_oop方法执行CAS操作。
继续深入atomic_compare_exchange_oop方法看一下，源码如下
// 声明在hotspot/src/share/vm/oops/oop.hpp
static oop atomic_compare_exchange_oop(oop exchange_value,
volatile HeapWord *dest,
oop compare_value,
bool prebarrier = false);
// 定义在hotspot/src/share/vm/oops/oop.inline.hpp
inline oop oopDesc::atomic_compare_exchange_oop(oop exchange_value,
volatile HeapWord *dest,
oop compare_value,
bool prebarrier) {
if (UseCompressedOops) {
if (prebarrier) {
update_barrier_set_pre((narrowOop*)dest, exchange_value);
}
// encode exchange and compare value from oop to T
narrowOop val = encode_heap_oop(exchange_value);
narrowOop cmp = encode_heap_oop(compare_value);
narrowOop old = (narrowOop) Atomic::cmpxchg(val, (narrowOop*)dest, cmp);
// decode old from T to oop
return decode_heap_oop(old);
} else {
if (prebarrier) {
update_barrier_set_pre((oop*)dest, exchange_value);
}
return (oop)Atomic::cmpxchg_ptr(exchange_value, (oop*)dest, compare_value);
}
}
在atomic_compare_exchange_oop方法中，核心的CAS操作最终是调用了Atomic::cmpxchg(val, (narrowOop*)dest, cmp)函数或者Atomic::cmpxchg_ptr(exchange_value, (oop*)dest, compare_value)函数。
二、内核层
Atomic::cmpxchg(val, (narrowOop*)dest, cmp)函数虽然有很多重载函数，但最终都是调用的下面的函数：
// hotspot/src/share/vm/runtime/Atomic.cpp
jbyte Atomic::cmpxchg(jbyte exchange_value, volatile jbyte* dest, jbyte compare_value) {
assert(sizeof(jbyte) == 1, "assumption.");
uintptr_t dest_addr = (uintptr_t)dest;
uintptr_t offset = dest_addr % sizeof(jint);
volatile jint* dest_int = (volatile jint*)(dest_addr - offset);
jint cur = *dest_int; // 对象当前值
jbyte* cur_as_bytes = (jbyte*)(&cur); // 当前值cur的地址
jint new_val = cur;
jbyte* new_val_as_bytes = (jbyte*)(&new_val); // new_val地址
// new_val存exchange_value，后面修改则直接从new_val中取值
new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;
// 比较当前值与期望值，如果相同则更新，不同则直接返回
while (cur_as_bytes[offset] == compare_value) {
// 调用汇编指令cmpxchg执行CAS操作，期望值为cur，更新值为new_val
jint res = cmpxchg(new_val, dest_int, cur);
if (res == cur) break;
cur = res;
new_val = cur;
new_val_as_bytes[offset] = exchange_value;
}
// 返回当前值
return cur_as_bytes[offset];
}
Atomic::cmpxchg_ptr(exchange_value, (oop*)dest, compare_value)函数在不同系统中都有各自的声明，但是最终都是调用的下面的函数：
// 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) {
//判断当前执行环境是否为多处理器环境
int mp = os::is_MP();
//LOCK_IF_MP(%4) 在多处理器环境下，为cmpxchgl指令添加lock前缀，以达到内存屏障的效果
//cmpxchgl指令是包含在x86架构及IA-64架构中的一个原子条件指令，
//它会首先比较 dest 指针指向的内存值是否和compare_value的值相等，
//如果相等，则双向交换dest与exchange_value，否则就单方面地将dest指向的内存值交给exchange_value。
//这条指令完成了整个CAS操作，因此它也被称为CAS指令。
__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;
cmpxchgl的详细执行过程：
- 首先，输入是"r" (exchange_value), “a” (compare_value), “r” (dest), “r” (mp)，表示compare_value存入eax寄存器，而exchange_value、dest、mp的值存入任意的通用寄存器。嵌入式汇编规定把输出和输入寄存器按统一顺序编号，顺序是从输出寄存器序列从左到右从上到下以“%0”开始，分别记为%0、%1···%9。也就是说，输出的eax是%0，输入的exchange_value、compare_value、dest、mp分别是%1、%2、%3、%4。
- 因此，cmpxchg %1,(%3)实际上表示cmpxchg exchange_value,(dest)
需要注意的是cmpxchg有个隐含操作数eax，其实际过程是先比较eax的值(也就是compare_value)和dest地址所存的值是否相等。 - 输出是"=a" (exchange_value)，表示把eax中存的值写入exchange_value变量中。
Atomic::cmpxchg这个函数最终返回值是exchange_value，也就是说，如果cmpxchgl执行时compare_value和dest指针指向内存值相等则会使得dest指针指向内存值变成exchange_value，最终eax存的compare_value赋值给了exchange_value变量，即函数最终返回的值是原先的compare_value。 - 此时Unsafe_CompareAndSwapInt的返回值(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e就是true，表明CAS成功。如果cmpxchgl执行时compare_value和(dest)不等则会把当前dest指针指向内存的值写入eax，最终输出时赋值给exchange_value变量作为返回值，导致(jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e得到false，表明CAS失败。
源码的核心点
- 不管是Hotspot中的Atomic::cmpxchg方法，还是Java中的compareAndSwapInt方法，它们本质上都是对相应平台的CAS指令的一层简单封装。
- CAS指令作为一种硬件原语，有着天然的原子性，这也正是CAS的价值所在。
