Java CAS 原理分析

 目录

1 简介

2 背景介绍

 

 

1.简介

CAS 全称是 compare and swap，是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。CAS 操作包含三个操作数 – 内存位置、预期数值和新值。CAS 的实现逻辑是将内存位置处的数值与预期数值想比较，若相等，则将内存位置处的值替换为新值。若不相等，则不做任何操作。其操作流程如下图所示

在 Java 中，Java 并没有直接实现 CAS，CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的。Java 代码需通过 JNI 才能调用。关于实现上的细节，我将会在第3章进行分析。

前面说了 CAS 操作的流程，并不是很难。但仅有上面的说明还不够，接下来我将会再介绍一点其他的背景知识。有这些背景知识，才能更好的理解后续的内容。

 2.背景介绍

我们都知道，CPU 是通过总线和内存进行数据传输的。在多核心时代下，多个核心通过同一条总线和内存以及其他硬件进行通信。如下图：


图片出处：《深入理解计算机系统》

2.1 缓存

随着现代半导体工艺的发展，CPU的频率越来越快，相对内存快了一个数量级，对于访存的操作CPU就需要等待主存，这样会导致资源的白白浪费。所以cache的出现为了解决CPU与内存速度不匹配的问题。(cpu ->cache->memory)

 

2.2 局部性

 

　　局部性通常有两种不同的形式:时间局部性( temporal locality)和空间局部性( spatia locality)。在一个具有良好时间局部性的程序中，被引用过一次的内存位置很可能在不远的将来再被多次引用。在一个具有良好空间局部性的程序中，如果一个内存位置被引用了一次，那么程序很可能在不远的将来引用附近的一个内存位置。

 

　　程序员应该理解局部性原理，因为一般而言，有良好局部性的程序比局部性差的程序运行得更快。现代计算机系统的各个层次，从硬件到操作系统、再到应用程序，它们的设计都利用了局部性。在硬件层，局部性原理允许计算机设计者通过引人称为高速缓存存储器的小而快速的存储器来保存最近被引用的指令和数据项，从而提高对主存的访问速度。在操作系统级，局部性原理允许系统使用主存作为虚拟地址空间最近破引用块的高速缓存。类似地，操作系统用主存来缓存磁盘文件系统中最近被使用的磁盘块。局部性原理在应用程序的设计中也扮演着重要的角色。例如，Web浏览器将最近被引用的文档放在本地磁盘上，利用的就是时间局部性。大容量的Web服务器将最近被请求的文档放在前端磁盘高速缓存中，这些缓存能满足对这些文档的请求，而不需要服务器的任何干预。

2.3 存储器的结构层次

上图是一个典型的存储器层次结构。一般而言，从高层往底层走，存储设备变得更慢、更便宜和更大。在最高层(L0)，是少量快速的CPU寄存器，CPU可以在一个时钟周期内访问它们。接下来是一个或多个小型到中型的基于SRAM的高速缓存存储器，可以在几个CPU时钟周期内访问它们。然后是一个大的基于DRAM的主存，可以在几十到几百个时钟周期内访问它们。接下来是慢速但是容量很大的本地磁盘。最后，有些系统甚至包括了一层附加的远程服务器上的磁盘，要通过网络来访问它们。例如，像安德鲁文件系统( Andrew File System，AFS)或者网络文件系统( Network File System，NFS)这样的分布式文件系统，允许程序访问存储在远程的网络服务器上的文件。类似地，万维网允许程序访问存储在世界上任何地方的Web服务器上的远程文件。

2.4 Lock锁

 

目前的CPU处理器则是在经典结构上加上了缓存结构

以二级缓存为例

上图是一个较为简单的计算机结构图，虽然简单，但足以说明问题。在上图中，CPU 通过两个蓝色箭头标注的总线与内存进行通信。大家考虑一个问题，CPU 的多个核心同时对同一片内存进行操作，若不加以控制，会导致什么样的错误？这里简单说明一下，假设核心1经32位带宽的总线向内存写入64位的数据，核心1要进行两次写入才能完成整个操作。若在核心1第一次写入32位的数据后，核心2从核心1写入的内存位置读取了64位数据。由于核心1还未完全将64位的数据全部写入内存中，核心2就开始从该内存位置读取数据，那么读取出来的数据必定是混乱的。

不过对于这个问题，实际上不用担心。通过 Intel 开发人员手册，我们可以了解到自奔腾处理器开始，Intel 处理器会保证以原子的方式读写按64位边界对齐的四字（quadword）。

根据上面的说明，我们可总结出，Intel 处理器可以保证单次访问内存对齐的指令以原子的方式执行。但如果是两次访存的指令呢？答案是无法保证。比如递增指令inc dword ptr [...]，等价于DEST = DEST + 1。该指令包含三个操作读->改->写，涉及两次访存。考虑这样一种情况，在内存指定位置处，存放了一个为1的数值。现在 CPU 两个核心同时执行该条指令。两个核心交替执行的流程如下：

  1. 核心1 从内存指定位置出读取数值1，并加载到寄存器中
  2. 核心2 从内存指定位置出读取数值1，并加载到寄存器中
  3. 核心1 将寄存器中值递加1
  4. 核心2 将寄存器中值递加1
  5. 核心1 将修改后的值写回内存
  6. 核心2 将修改后的值写回内存

经过执行上述流程，内存中的最终值时2，而我们期待的是3，这就出问题了。要处理这个问题，就要避免两个或多个核心同时操作同一片内存区域。那么怎样避免呢？这就要引入本文的主角 - lock 前缀。关于该指令的详细描述，可以参考 Intel 开发人员手册 Volume 2 Instruction Set Reference，Chapter 3 Instruction Set Reference A-L。我这里引用其中的一段，如下：

LOCK—Assert LOCK# Signal Prefix
Causes the processor’s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal ensures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.

上面描述的重点已经用黑体标出了，在多处理器环境下，LOCK# 信号可以确保处理器独占使用某些共享内存。lock 可以被添加在下面的指令前：

ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, CMPXCHG16B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG.

通过在 inc 指令前添加 lock 前缀，即可让该指令具备原子性。多个核心同时执行同一条 inc 指令时，会以串行的方式进行，也就避免了上面所说的那种情况。那么这里还有一个问题，lock 前缀是怎样保证核心独占某片内存区域的呢？答案如下：

在 Intel 处理器中，有两种方式保证处理器的某个核心独占某片内存区域。第一种方式是通过锁定总线，让某个核心独占使用总线，但这样代价太大。总线被锁定后，其他核心就不能访问内存了，可能会导致其他核心短时内停止工作。第二种方式是锁定缓存，若某处内存数据被缓存在处理器缓存中。处理器发出的 LOCK# 信号不会锁定总线，而是锁定缓存行对应的内存区域。其他处理器在这片内存区域锁定期间，无法对这片内存区域进行相关操作。相对于锁定总线，锁定缓存的代价明显比较小。关于总线锁和缓存锁，更详细的描述请参考 Intel 开发人员手册 Volume 3 Software Developer’s Manual，Chapter 8 Multiple-Processor Management。

3.源码分析

有了上面的背景知识，现在我们就可以从容不迫的阅读 CAS 的源码了。本章的内容将对 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法进行分析，相关分析如下：

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

    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            // 计算变量 value 在类对象中的偏移
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
    
    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        /*
         * compareAndSet 实际上只是一个壳子，主要的逻辑封装在 Unsafe 的 
         * compareAndSwapInt 方法中
         */
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }
    
    // ......
}

public final class Unsafe {
    // compareAndSwapInt 是 native 类型的方法，继续往下看
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);
    // ......
}

入参的含义如下：

 

参数名称含义
o 需要修改的对象
offset 需要修改的字段到对象头的偏移量(通过偏移量，可以快速定位修改的是哪个字段)
expected 期望值
x 要设置的值

 

C++源码

// unsafe.cpp
/*
 * 这个看起来好像不像一个函数，不过不用担心，不是重点。UNSAFE_ENTRY 和 UNSAFE_END 都是宏，
 * 在预编译期间会被替换成真正的代码。下面的 jboolean、jlong 和 jint 等是一些类型定义（typedef）：
 * 
 * jni.h
 *     typedef unsigned char   jboolean;
 *     typedef unsigned short  jchar;
 *     typedef short           jshort;
 *     typedef float           jfloat;
 *     typedef double          jdouble;
 * 
 * jni_md.h
 *     typedef int jint;
 *     #ifdef _LP64 // 64-bit
 *     typedef long jlong;
 *     #else
 *     typedef long long jlong;
 *     #endif
 *     typedef signed char jbyte;
 */
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);
  // 根据偏移量，计算 value 的地址。这里的 offset 就是 AtomaicInteger 中的 valueOffset
  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
  // 调用 Atomic 中的函数 cmpxchg，该函数声明于 Atomic.hpp 中
  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END

// atomic.cpp
unsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value,
                         volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value) {
  assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");
  /*
   * 根据操作系统类型调用不同平台下的重载函数，这个在预编译期间编译器会决定调用哪个平台下的重载
   * 函数。相关的预编译逻辑如下：
   * 
   * atomic.inline.hpp：
   *    #include "runtime/atomic.hpp"
   *    
   *    // Linux
   *    #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86
   *    # include "atomic_linux_x86.inline.hpp"
   *    #endif
   *   
   *    // 省略部分代码
   *    
   *    // Windows
   *    #ifdef TARGET_OS_ARCH_windows_x86
   *    # include "atomic_windows_x86.inline.hpp"
   *    #endif
   *    
   *    // BSD
   *    #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_x86
   *    # include "atomic_bsd_x86.inline.hpp"
   *    #endif
   * 
   * 接下来分析 atomic_windows_x86.inline.hpp 中的 cmpxchg 函数实现
   */
  return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
                                       (jint)compare_value);
}

上面的分析看起来比较多，不过主流程并不复杂。如果不纠结于代码细节，还是比较容易看懂的。接下来，我会分析 Windows 平台下的 Atomic::cmpxchg 函数。继续往下看吧。

// atomic_windows_x86.inline.hpp
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \
                       __asm je L0      \
                       __asm _emit 0xF0 \
                       __asm L0:
              
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
  }
}

上面的代码由 LOCK_IF_MP 预编译标识符和 cmpxchg 函数组成。为了看到更清楚一些，我们将 cmpxchg 函数中的 LOCK_IF_MP 替换为实际内容。如下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
  // 判断是否是多核 CPU
  int mp = os::is_MP();
  __asm {
    // 将参数值放入寄存器中
    mov edx, dest    // 注意: dest 是指针类型，这里是把内存地址存入 edx 寄存器中
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    
    // LOCK_IF_MP
    cmp mp, 0
    /*
     * 如果 mp = 0，表明是线程运行在单核 CPU 环境下。此时 je 会跳转到 L0 标记处，
     * 也就是越过 _emit 0xF0 指令，直接执行 cmpxchg 指令。也就是不在下面的 cmpxchg 指令
     * 前加 lock 前缀。
     */
    je L0
    /*
     * 0xF0 是 lock 前缀的机器码，这里没有使用 lock，而是直接使用了机器码的形式。至于这样做的
     * 原因可以参考知乎的一个回答：
     *     https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923
     */ 
    _emit 0xF0
L0:
    /*
     * 比较并交换。简单解释一下下面这条指令，熟悉汇编的朋友可以略过下面的解释:
     *   cmpxchg: 即“比较并交换”指令
     *   dword: 全称是 double word，在 x86/x64 体系中，一个 
     *          word = 2 byte，dword = 4 byte = 32 bit
     *   ptr: 全称是 pointer，与前面的 dword 连起来使用，表明访问的内存单元是一个双字单元
     *   [edx]: [...] 表示一个内存单元，edx 是寄存器，dest 指针值存放在 edx 中。
     *          那么 [edx] 表示内存地址为 dest 的内存单元
     *          
     * 这一条指令的意思就是，将 eax 寄存器中的值（compare_value）与 [edx] 双字内存单元中的值
     * 进行对比，如果相同，则将 ecx 寄存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 内存单元中。
     */
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

到这里 CAS 的实现过程就讲完了，CAS 的实现离不开处理器的支持。以上这么多代码，其实核心代码就是一条带lock 前缀的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx。

 4.ABA 问题

谈到 CAS，基本上都要谈一下 CAS 的 ABA 问题。CAS 由三个步骤组成，分别是“读取->比较->写回”。考虑这样一种情况，线程1和线程2同时执行 CAS 逻辑，两个线程的执行顺序如下：

  1. 时刻1：线程1执行读取操作，获取原值 A，然后线程被切换走
  2. 时刻2：线程2执行完成 CAS 操作将原值由 A 修改为 B
  3. 时刻3：线程2再次执行 CAS 操作，并将原值由 B 修改为 A
  4. 时刻4：线程1恢复运行，将比较值（compareValue）与原值（oldValue）进行比较，发现两个值相等。
    然后用新值（newValue）写入内存中，完成 CAS 操作

如上流程，线程1并不知道原值已经被修改过了，在它看来并没什么变化，所以它会继续往下执行流程。对于 ABA 问题，通常的处理措施是对每一次 CAS 操作设置版本号。java.util.concurrent.atomic 包下提供了一个可处理 ABA 问题的原子类 AtomicStampedReference，具体的实现这里就不分析了，在专门的AtomicXXXX里有讲。

 5.总结

写到这里，这篇文章总算接近尾声了。虽然 CAS 本身的原理，包括实现都不是很难，但是写起来真的不太好写。这里面涉及到了一些底层的知识，虽然能看懂，但想说明白，还是有点难度的。由于我底层的知识比较欠缺，上面的一些分析难免会出错。所以如有错误，请轻喷，当然最好能说明怎么错的，感谢。

好了，本篇文章就到这里。感谢阅读，再见。

 附录

在前面源码分析一节中用到的几个文件，这里把路径贴出来。有助于大家进行索引，如下：

文件名路径
Unsafe.java openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java
unsafe.cpp openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
atomic.cpp openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.cpp
atomic_windows_x86.inline.hpp openjdk/hotspot/src/os_cpu/windows_x86/vm/atomic_windows_x86.inline.hpp

 

 

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posted @ 2020-03-18 21:14  windy杨树  阅读(547)  评论(0)  编辑  收藏  举报