摘要

本文从CAS的基本操作开始,逐步探究CAS的实现原理,本文涉及代码使用JDK1.8版本;

CAS是什么?

CAS是Compare And Swap (Compare And Exchange) 的简称,从因为的意思也很容易理解:比较并交换。

  • 先看一段代码,两个线程分别对atomicInteger加100,因为AtomicInteger是可以保证++是原子操作的,所以最终输出结果是:200
public class CasDemo {
public static void main(String[] args) {
AtomicInteger atomicInteger = new AtomicInteger(0);
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
},"a").start();
new Thread(()->{
for (int i = 0; i < 100; i++) {
atomicInteger.incrementAndGet();
}
},"b").start();
try {
Thread.sleep(1000);
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
log.info(atomicInteger.get());
}
}

CAS是如何实现的?

  • AtomicInteger类
    在AtomicInteger数据定义的部分,实际存储的值是放在value中的,除此之外获取了unsafe实例,并且定义了valueOffset。再看到static块,根据加载过程,static块的加载发生于类加载的时候,是最先初始化的,这时候调用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。
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;
...
}
  • 再看一下incrementAndGet函数
  • var5 = this.getIntVolatile(var1, var2); // 取出Object中偏移地址为var2的值var5;
  • this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)比较var1中偏移量为var2的值是否和var5相等?相等则更新为var5 + var4;参数换个名字应该会清晰很多:compareAndSwapInt(obj, offset, expect, update);
 /**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1) + 1;
} public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
int var5;
do {
// 取出Object中偏移地址为var2的值var5;
var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
// 比较var1中偏移量为var2的值是否和var5相等?相等则更新为var5 + var4;
} while (!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4)); return var5;
}
  • 问题来了?比较并交换就是也是两个步骤,怎么能保证线程同步呢?
    下载一下Hotspot源码,看到compareAndSwapInt实现的源码如图所示,发现最终调用了Atomic::cmpxchg(x, addr, e)方法。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

翻看源码(如下面两张图所示)可以看到,不同的平台有不同的实现方式;

  • 在x86的架构下实现,是通过LOCK_IF_MP加锁的方式实现
  • 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。
  • __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: "


在atomic.cpp中则是通过递归实现的;

因为根据IA64手册,X86_64架构下,不跨越cacheline的8byte读写是原子的,如果你有个指针,没有跨越cacheline,那么多线程对这个指针的复制和读取都是不需要加锁的,可以保证原子的读到这8byte;

CAS存在的问题?

  • ABA的问题
    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
    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。


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