java基礎(chǔ)教程欄目介紹分析Java CAS

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1、簡介

CAS 全稱是 compare and swap，是一種用于在多線程環(huán)境下實現(xiàn)同步功能的機制。CAS 操作包含三個操作數(shù) -- 內(nèi)存位置、預(yù)期數(shù)值和新值。CAS 的實現(xiàn)邏輯是將內(nèi)存位置處的數(shù)值與預(yù)期數(shù)值想比較，若相等，則將內(nèi)存位置處的值替換為新值。若不相等，則不做任何操作。

在 Java 中，Java 并沒有直接實現(xiàn) CAS，CAS 相關(guān)的實現(xiàn)是通過 C++ 內(nèi)聯(lián)匯編的形式實現(xiàn)的。Java 代碼需通過 JNI 才能調(diào)用。關(guān)于實現(xiàn)上的細節(jié)，我將會在第3章進行分析。

前面說了 CAS 操作的流程，并不是很難。但僅有上面的說明還不夠，接下來我將會再介紹一點其他的背景知識。有這些背景知識，才能更好的理解后續(xù)的內(nèi)容。

2.背景介紹

我們都知道，CPU 是通過總線和內(nèi)存進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?。在多核心時代下，多個核心通過同一條總線和內(nèi)存以及其他硬件進行通信。如下圖：

圖片出處：《深入理解計算機系統(tǒng)》

上圖是一個較為簡單的計算機結(jié)構(gòu)圖，雖然簡單，但足以說明問題。在上圖中，CPU 通過兩個藍色箭頭標(biāo)注的總線與內(nèi)存進行通信。大家考慮一個問題，CPU 的多個核心同時對同一片內(nèi)存進行操作，若不加以控制，會導(dǎo)致什么樣的錯誤？這里簡單說明一下，假設(shè)核心1經(jīng)32位帶寬的總線向內(nèi)存寫入64位的數(shù)據(jù)，核心1要進行兩次寫入才能完成整個操作。若在核心1第一次寫入32位的數(shù)據(jù)后，核心2從核心1寫入的內(nèi)存位置讀取了64位數(shù)據(jù)。由于核心1還未完全將64位的數(shù)據(jù)全部寫入內(nèi)存中，核心2就開始從該內(nèi)存位置讀取數(shù)據(jù)，那么讀取出來的數(shù)據(jù)必定是混亂的。

不過對于這個問題，實際上不用擔(dān)心。通過 Intel 開發(fā)人員手冊，我們可以了解到自奔騰處理器開始，Intel 處理器會保證以原子的方式讀寫按64位邊界對齊的四字（quadword）。

根據(jù)上面的說明，我們可總結(jié)出，Intel 處理器可以保證單次訪問內(nèi)存對齊的指令以原子的方式執(zhí)行。但如果是兩次訪存的指令呢？答案是無法保證。比如遞增指令inc dword ptr [...]，等價于DEST = DEST + 1。該指令包含三個操作讀->改->寫，涉及兩次訪存?？紤]這樣一種情況，在內(nèi)存指定位置處，存放了一個為1的數(shù)值。現(xiàn)在 CPU 兩個核心同時執(zhí)行該條指令。兩個核心交替執(zhí)行的流程如下：

1. 核心1 從內(nèi)存指定位置出讀取數(shù)值1，并加載到寄存器中
2. 核心2 從內(nèi)存指定位置出讀取數(shù)值1，并加載到寄存器中
3. 核心1 將寄存器中值遞減1
4. 核心2 將寄存器中值遞減1
5. 核心1 將修改后的值寫回內(nèi)存
6. 核心2 將修改后的值寫回內(nèi)存

經(jīng)過執(zhí)行上述流程，內(nèi)存中的最終值時2，而我們期待的是3，這就出問題了。要處理這個問題，就要避免兩個或多個核心同時操作同一片內(nèi)存區(qū)域。那么怎樣避免呢？這就要引入本文的主角 - lock 前綴。關(guān)于該指令的詳細描述，可以參考 Intel 開發(fā)人員手冊 Volume 2 Instruction Set Reference，Chapter 3 Instruction Set Reference A-L。我這里引用其中的一段，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.

上面描述的重點已經(jīng)用黑體標(biāo)出了，在多處理器環(huán)境下，LOCK# 信號可以確保處理器獨占使用某些共享內(nèi)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.

通過在 inc 指令前添加 lock 前綴，即可讓該指令具備原子性。多個核心同時執(zhí)行同一條 inc 指令時，會以串行的方式進行，也就避免了上面所說的那種情況。那么這里還有一個問題，lock 前綴是怎樣保證核心獨占某片內(nèi)存區(qū)域的呢？答案如下：

在 Intel 處理器中，有兩種方式保證處理器的某個核心獨占某片內(nèi)存區(qū)域。第一種方式是通過鎖定總線，讓某個核心獨占使用總線，但這樣代價太大。總線被鎖定后，其他核心就不能訪問內(nèi)存了，可能會導(dǎo)致其他核心短時內(nèi)停止工作。第二種方式是鎖定緩存，若某處內(nèi)存數(shù)據(jù)被緩存在處理器緩存中。處理器發(fā)出的 LOCK# 信號不會鎖定總線，而是鎖定緩存行對應(yīng)的內(nèi)存區(qū)域。其他處理器在這片內(nèi)存區(qū)域鎖定期間，無法對這片內(nèi)存區(qū)域進行相關(guān)操作。相對于鎖定總線，鎖定緩存的代價明顯比較小。關(guān)于總線鎖和緩存鎖，更詳細的描述請參考 Intel 開發(fā)人員手冊 Volume 3 Software Developer’s Manual，Chapter 8 Multiple-Processor Management。

3.源碼分析

有了上面的背景知識，現(xiàn)在我們就可以從容不迫的閱讀 CAS 的源碼了。本章的內(nèi)容將對 java.util.concurrent.atomic 包下的原子類 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法進行分析，相關(guān)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?{
????????????//?計算變量?value?在類對象中的偏移
????????????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?實際上只是一個殼子，主要的邏輯封裝在?Unsafe?的?
?????????*?compareAndSwapInt?方法中
?????????*/
????????return?unsafe.compareAndSwapInt(this,?valueOffset,?expect,?update);
????}
????
????//?......
}

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

//?unsafe.cpp
/*
?*?這個看起來好像不像一個函數(shù)，不過不用擔(dān)心，不是重點。UNSAFE_ENTRY?和?UNSAFE_END?都是宏，
?*?在預(yù)編譯期間會被替換成真正的代碼。下面的?jboolean、jlong?和?jint?等是一些類型定義（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);
??//?根據(jù)偏移量，計算?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);
??//?調(diào)用?Atomic?中的函數(shù)?cmpxchg，該函數(shù)聲明于?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");
??/*
???*?根據(jù)操作系統(tǒng)類型調(diào)用不同平臺下的重載函數(shù)，這個在預(yù)編譯期間編譯器會決定調(diào)用哪個平臺下的重載
???*?函數(shù)。相關(guān)的預(yù)編譯邏輯如下：
???*?
???*?atomic.inline.hpp：
???*????#include?"runtime/atomic.hpp"
???*????
???*????//?Linux
???*????#ifdef?TARGET_OS_ARCH_linux_x86
???*????#?include?"atomic_linux_x86.inline.hpp"
???*????#endif
???*???
???*????//?省略部分代碼
???*????
???*????//?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
???*?
???*?接下來分析?atomic_windows_x86.inline.hpp?中的?cmpxchg?函數(shù)實現(xiàn)
???*/
??return?(unsigned?int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value,?(volatile?jint*)dest,
???????????????????????????????????????(jint)compare_value);
}

上面的分析看起來比較多，不過主流程并不復(fù)雜。如果不糾結(jié)于代碼細節(jié)，還是比較容易看懂的。接下來，我會分析 Windows 平臺下的 Atomic::cmpxchg 函數(shù)。繼續(xù)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
??}
}

上面的代碼由 LOCK_IF_MP 預(yù)編譯標(biāo)識符和 cmpxchg 函數(shù)組成。為了看到更清楚一些，我們將 cmpxchg 函數(shù)中的 LOCK_IF_MP 替換為實際內(nèi)容。如下：

inline?jint?Atomic::cmpxchg?(jint?exchange_value,?volatile?jint*?dest,?jint?compare_value)?{
??//?判斷是否是多核?CPU
??int?mp?=?os::is_MP();
??__asm?{
????//?將參數(shù)值放入寄存器中
????mov?edx,?dest????//?注意:?dest?是指針類型，這里是把內(nèi)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，表明是線程運行在單核?CPU?環(huán)境下。此時?je?會跳轉(zhuǎn)到?L0?標(biāo)記處，
?????*?也就是越過?_emit?0xF0?指令，直接執(zhí)行?cmpxchg?指令。也就是不在下面的?cmpxchg?指令
?????*?前加?lock?前綴。
?????*/
????je?L0
????/*
?????*?0xF0?是?lock?前綴的機器碼，這里沒有使用?lock，而是直接使用了機器碼的形式。至于這樣做的
?????*?原因可以參考知乎的一個回答：
?????*?????https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923
?????*/?
????_emit?0xF0
L0:
????/*
?????*?比較并交換。簡單解釋一下下面這條指令，熟悉匯編的朋友可以略過下面的解釋:
?????*???cmpxchg:?即“比較并交換”指令
?????*???dword:?全稱是?double?word，在?x86/x64?體系中，一個?
?????*??????????word?=?2?byte，dword?=?4?byte?=?32?bit
?????*???ptr:?全稱是?pointer，與前面的?dword?連起來使用，表明訪問的內(nèi)存單元是一個雙字單元
?????*???[edx]:?[...]?表示一個內(nèi)存單元，edx?是寄存器，dest?指針值存放在?edx?中。
?????*??????????那么?[edx]?表示內(nèi)存地址為?dest?的內(nèi)存單元
?????*??????????
?????*?這一條指令的意思就是，將?eax?寄存器中的值（compare_value）與?[edx]?雙字內(nèi)存單元中的值
?????*?進行對比，如果相同，則將?ecx?寄存器中的值（exchange_value）存入?[edx]?內(nèi)存單元中。
?????*/
????cmpxchg?dword?ptr?[edx],?ecx
??}
}

到這里 CAS 的實現(xiàn)過程就講完了，CAS 的實現(xiàn)離不開處理器的支持。以上這么多代碼，其實核心代碼就是一條帶lock 前綴的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx。

4.ABA 問題

談到 CAS，基本上都要談一下 CAS 的 ABA 問題。CAS 由三個步驟組成，分別是“讀取->比較->寫回”?？紤]這樣一種情況，線程1和線程2同時執(zhí)行 CAS 邏輯，兩個線程的執(zhí)行順序如下：

1. 時刻1：線程1執(zhí)行讀取操作，獲取原值 A，然后線程被切換走
2. 時刻2：線程2執(zhí)行完成 CAS 操作將原值由 A 修改為 B
3. 時刻3：線程2再次執(zhí)行 CAS 操作，并將原值由 B 修改為 A
4. 時刻4：線程1恢復(fù)運行，將比較值（compareValue）與原值（oldValue）進行比較，發(fā)現(xiàn)兩個值相等。然后用新值（newValue）寫入內(nèi)存中，完成 CAS 操作

如上流程，線程1并不知道原值已經(jīng)被修改過了，在它看來并沒什么變化，所以它會繼續(xù)往下執(zhí)行流程。對于 ABA 問題，通常的處理措施是對每一次 CAS 操作設(shè)置版本號。java.util.concurrent.atomic 包下提供了一個可處理 ABA 問題的原子類 AtomicStampedReference，具體的實現(xiàn)這里就不分析了，有興趣的朋友可以自己去看看。

5.總結(jié)

寫到這里，這篇文章總算接近尾聲了。雖然 CAS 本身的原理，包括實現(xiàn)都不是很難，但是寫起來真的不太好寫。這里面涉及到了一些底層的知識，雖然能看懂，但想說明白，還是有點難度的。由于我底層的知識比較欠缺，上面的一些分析難免會出錯。所以如有錯誤，請輕噴，當(dāng)然最好能說明怎么錯的，感謝。

好了，本篇文章就到這里。感謝閱讀，再見。

附錄

在前面源碼分析一節(jié)中用到的幾個文件，這里把路徑貼出來。有助于大家進行索引，如下：

Atas ialah kandungan terperinci 介紹Java CAS 原理分析. Untuk maklumat lanjut, sila ikut artikel berkaitan lain di laman web China PHP!