java Atomic compareAndSet部分原理分析
以AtomicLong的compareAndSet方法举例。先说结论:如果CPU支持,则基于CPU指令(CMPXCHG8)实现;否则使用ObjectLocker锁实现。
分析过程如下:
该方法在jdk中源代码如下:
- public final boolean compareAndSet(long expect, long update) {
- return unsafe.compareAndSwapLong(this, valueOffset, expect, update);
- }
unsafe是sun.misc.Unsafe的一个实例,Unsafe类在jdk中没有源代码,是由jvm提供的native代码。在openjdk中对应位置是hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
jdk代码里没有用锁,对用户来说是无锁的操作
openjdk里是怎么实现unsafe.compareAndSwapLong的呢?直接用代码说话,如下:
- 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
可以看到,如果不支持cx8,那么就需要用到ObjectLocker锁,那么什么 VM_Version::supports_cx8() 的底层实现又是什么呢?还是上代码,在openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/vm_version.hpp里
- static bool supports_cx8() {
- #ifdef SUPPORTS_NATIVE_CX8
- return true;
- #else
- return _supports_cx8;
- #endif
- }
- _supports_cx8在何处赋值呢?该值默认为false,在x86系统中使用supports_cmpxchg8()方法赋值,在sparc系统中使用has_v9()赋值。我们来看一下x86系统中的情况,
- static bool supports_cmpxchg8() { return (_cpuFeatures & CPU_CX8) != ; }
_cpuFeatures定义如下:
- static int _cpuFeatures; // features returned by the "cpuid" instruction
- // 0 if this instruction is not available
CPU_CX8定义如下:
- enum {
- CPU_CX8 = ( << ), // next bits are from cpuid 1 (EDX)
- CPU_CMOV = ( << ),
- CPU_FXSR = ( << ),
- CPU_HT = ( << ),
- CPU_MMX = ( << ),
- CPU_3DNOW_PREFETCH = ( << ), // Processor supports 3dnow prefetch and prefetchw instructions
- // may not necessarily support other 3dnow instructions
- CPU_SSE = ( << ),
- CPU_SSE2 = ( << ),
- CPU_SSE3 = ( << ), // SSE3 comes from cpuid 1 (ECX)
- CPU_SSSE3 = ( << ),
- CPU_SSE4A = ( << ),
- CPU_SSE4_1 = ( << ),
- CPU_SSE4_2 = ( << ),
- CPU_POPCNT = ( << ),
- CPU_LZCNT = ( << ),
- CPU_TSC = ( << ),
- CPU_TSCINV = ( << ),
- CPU_AVX = ( << ),
- CPU_AVX2 = ( << ),
- CPU_AES = ( << ),
- CPU_ERMS = ( << ), // enhanced 'rep movsb/stosb' instructions
- CPU_CLMUL = ( << ) // carryless multiply for CRC
- } cpuFeatureFlags;
在刨根问底_cpuFeatures的值是怎么来的?
- _cpuFeatures = feature_flags();
- static uint32_t feature_flags() {
- uint32_t result = ;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.cmpxchg8 != )
- result |= CPU_CX8;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.cmov != )
- result |= CPU_CMOV;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.fxsr != || (is_amd() &&
- _cpuid_info.ext_cpuid1_edx.bits.fxsr != ))
- result |= CPU_FXSR;
- // HT flag is set for multi-core processors also.
- if (threads_per_core() > )
- result |= CPU_HT;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.mmx != || (is_amd() &&
- _cpuid_info.ext_cpuid1_edx.bits.mmx != ))
- result |= CPU_MMX;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.sse != )
- result |= CPU_SSE;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.sse2 != )
- result |= CPU_SSE2;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.sse3 != )
- result |= CPU_SSE3;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.ssse3 != )
- result |= CPU_SSSE3;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.sse4_1 != )
- result |= CPU_SSE4_1;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.sse4_2 != )
- result |= CPU_SSE4_2;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.popcnt != )
- result |= CPU_POPCNT;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.avx != &&
- _cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.osxsave != &&
- _cpuid_info.xem_xcr0_eax.bits.sse != &&
- _cpuid_info.xem_xcr0_eax.bits.ymm != ) {
- result |= CPU_AVX;
- if (_cpuid_info.sef_cpuid7_ebx.bits.avx2 != )
- result |= CPU_AVX2;
- }
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_edx.bits.tsc != )
- result |= CPU_TSC;
- if (_cpuid_info.ext_cpuid7_edx.bits.tsc_invariance != )
- result |= CPU_TSCINV;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.aes != )
- result |= CPU_AES;
- if (_cpuid_info.sef_cpuid7_ebx.bits.erms != )
- result |= CPU_ERMS;
- if (_cpuid_info.std_cpuid1_ecx.bits.clmul != )
- result |= CPU_CLMUL;
- // AMD features.
- if (is_amd()) {
- if ((_cpuid_info.ext_cpuid1_edx.bits.tdnow != ) ||
- (_cpuid_info.ext_cpuid1_ecx.bits.prefetchw != ))
- result |= CPU_3DNOW_PREFETCH;
- if (_cpuid_info.ext_cpuid1_ecx.bits.lzcnt != )
- result |= CPU_LZCNT;
- if (_cpuid_info.ext_cpuid1_ecx.bits.sse4a != )
- result |= CPU_SSE4A;
- }
- return result;
- }
- 至此,基本可以断定这里的判断,是从CPUID中获取的信息,来看CPU是否支持CMPXCHG8指令。
- 再回过头来看这句:
- return (jlong)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
这里Atomic::cmpxchg方法是核心,定义在openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.hpp
- inline static jlong cmpxchg (jlong exchange_value, volatile jlong* dest, jlong compare_value);
在不同系统中有不同的实现,在linux_x86中:openjdk/hotspot/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp
- inline jlong Atomic::cmpxchg (jlong exchange_value, volatile jlong* dest, jlong compare_value) {
- bool mp = os::is_MP();
- __asm__ __volatile__ (LOCK_IF_MP(%) "cmpxchgq %1,(%3)"
- : "=a" (exchange_value)
- : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
- : "cc", "memory");
- return exchange_value;
- }
在windows_x86中:openjdk/hotspot/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_windows_x86.inline.hpp
- inline jlong Atomic::cmpxchg (jlong exchange_value, volatile jlong* dest, jlong compare_value) {
- int mp = os::is_MP();
- jint ex_lo = (jint)exchange_value;
- jint ex_hi = *( ((jint*)&exchange_value) + );
- jint cmp_lo = (jint)compare_value;
- jint cmp_hi = *( ((jint*)&compare_value) + );
- __asm {
- push ebx
- push edi
- mov eax, cmp_lo
- mov edx, cmp_hi
- mov edi, dest
- mov ebx, ex_lo
- mov ecx, ex_hi
- LOCK_IF_MP(mp)
- cmpxchg8b qword ptr [edi]
- pop edi
- pop ebx
- }
- }
可以看出,当CPU支持时,最终确实是直接用cmpxchg相关指令实现的。
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