Java CAS 原理剖析

卡巴拉的樹發表於2018-02-02
Java

Java CAS 原理剖析
在Java併發中，我們最初接觸的應該就是synchronized關鍵字了，但是synchronized屬於重量級鎖，很多時候會引起效能問題，volatile也是個不錯的選擇，但是volatile不能保證原子性，只能在某些場合下使用。

像synchronized這種獨佔鎖屬於悲觀鎖，它是在假設一定會發生衝突的，那麼加鎖恰好有用，除此之外，還有樂觀鎖，樂觀鎖的含義就是假設沒有發生衝突，那麼我正好可以進行某項操作，如果要是發生衝突呢，那我就重試直到成功，樂觀鎖最常見的就是CAS。

我們在讀Concurrent包下的類的原始碼時，發現無論是ReenterLock內部的AQS，還是各種Atomic開頭的原子類，內部都應用到了CAS，最常見的就是我們在併發程式設計時遇到的i++這種情況。傳統的方法肯定是在方法上加上synchronized關鍵字:

public class Test {

    public volatile int i;

    public synchronized void add() {
        i++;
    }
}
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但是這種方法在效能上可能會差一點，我們還可以使用AtomicInteger，就可以保證i原子的++了。

public class Test {

    public AtomicInteger i;

    public void add() {
        i.getAndIncrement();
    }
}
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我們來看getAndIncrement的內部：

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
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再深入到getAndAddInt():

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));

    return var5;
}
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這裡我們見到compareAndSwapInt這個函式，它也是CAS縮寫的由來。那麼仔細分析下這個函式做了什麼呢？

首先我們發現compareAndSwapInt前面的this，那麼它屬於哪個類呢，我們看上一步getAndAddInt，前面是unsafe。這裡我們進入的Unsafe類。這裡要對Unsafe類做個說明。結合AtomicInteger的定義來說：

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;
    ...
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在AtomicInteger資料定義的部分，我們可以看到，其實實際儲存的值是放在value中的，除此之外我們還獲取了unsafe例項，並且定義了valueOffset。再看到static塊，懂類載入過程的都知道，static塊的載入發生於類載入的時候，是最先初始化的，這時候我們呼叫unsafe的objectFieldOffset從Atomic類檔案中獲取value的偏移量，那麼valueOffset其實就是記錄value的偏移量的。

再回到上面一個函式getAndAddInt，我們看var5獲取的是什麼，通過呼叫unsafe的getIntVolatile(var1, var2)，這是個native方法，具體實現到JDK原始碼裡去看了，其實就是獲取var1中，var2偏移量處的值。var1就是AtomicInteger，var2就是我們前面提到的valueOffset,這樣我們就從記憶體裡獲取到現在valueOffset處的值了。

現在重點來了，compareAndSwapInt（var1, var2, var5, var5 + var4）其實換成compareAndSwapInt（obj, offset, expect, update）比較清楚，意思就是如果obj內的value和expect相等，就證明沒有其他執行緒改變過這個變數，那麼就更新它為update，如果這一步的CAS沒有成功，那就採用自旋的方式繼續進行CAS操作，取出乍一看這也是兩個步驟了啊，其實在JNI裡是藉助於一個CPU指令完成的。所以還是原子操作。

CAS底層原理

CAS底層使用JNI呼叫C程式碼實現的，如果你有Hotspot原始碼，那麼在Unsafe.cpp裡可以找到它的實現：

static JNINativeMethod methods_15[] = {
    //省略一堆程式碼...
    {CC"compareAndSwapInt",  CC"("OBJ"J""I""I"")Z",      FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapInt)},
    {CC"compareAndSwapLong", CC"("OBJ"J""J""J"")Z",      FN_PTR(Unsafe_CompareAndSwapLong)},
    //省略一堆程式碼...
};
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我們可以看到compareAndSwapInt實現是在Unsafe_CompareAndSwapInt裡面，再深入到Unsafe_CompareAndSwapInt:

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
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p是取出的物件，addr是p中offset處的地址，最後呼叫了Atomic::cmpxchg(x, addr, e), 其中引數x是即將更新的值，引數e是原記憶體的值。程式碼中能看到cmpxchg有基於各個平臺的實現，這裡我選擇Linux X86平臺下的原始碼分析：

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  int mp = os::is_MP();
  __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;
}
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這是一段小彙編，__asm__說明是ASM彙編，__volatile__禁止編譯器優化

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "
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os::is_MP判斷當前系統是否為多核系統，如果是就給匯流排加鎖，所以同一晶片上的其他處理器就暫時不能通過匯流排訪問記憶體，保證了該指令在多處理器環境下的原子性。

在正式解讀這段彙編前，我們來了解下嵌入彙編的基本格式：

asm ( assembler template
    : output operands                  /* optional */
    : input operands                   /* optional */
    : list of clobbered registers      /* optional */
    );
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  • template就是cmpxchgl %1,(%3)表示彙編模板

  • output operands表示輸出運算元,=a對應eax暫存器

  • input operand 表示輸入引數，%1 就是exchange_value, %3是dest, %4就是mp， r表示任意暫存器，a還是eax暫存器

  • list of clobbered registers就是些額外引數，cc表示編譯器cmpxchgl的執行將影響到標誌暫存器, memory告訴編譯器要重新從記憶體中讀取變數的最新值，這點實現了volatile的感覺。

那麼表示式其實就是cmpxchgl exchange_value ,dest，我們會發現%2也就是compare_value沒有用上，這裡就要分析cmpxchgl的語義了。cmpxchgl末尾l表示運算元長度為4，上面已經知道了。cmpxchgl會預設比較eax暫存器的值即compare_value和exchange_value的值，如果相等，就把dest的值賦值給exchange_value,否則，將exchange_value賦值給eax。具體彙編指令可以檢視Intel手冊CMPXCHG

最終，JDK通過CPU的cmpxchgl指令的支援，實現AtomicInteger的CAS操作的原子性。

CAS 的問題

  1. ABA問題

CAS需要在操作值的時候檢查下值有沒有發生變化，如果沒有發生變化則更新，但是如果一個值原來是A，變成了B，又變成了A，那麼使用CAS進行檢查時會發現它的值沒有發生變化，但是實際上卻變化了。這就是CAS的ABA問題。 常見的解決思路是使用版本號。在變數前面追加上版本號，每次變數更新的時候把版本號加一，那麼A-B-A 就會變成1A-2B-3A。 目前在JDK的atomic包裡提供了一個類AtomicStampedReference來解決ABA問題。這個類的compareAndSet方法作用是首先檢查當前引用是否等於預期引用，並且當前標誌是否等於預期標誌，如果全部相等，則以原子方式將該引用和該標誌的值設定為給定的更新值。

  1. 迴圈時間長開銷大

上面我們說過如果CAS不成功，則會原地自旋，如果長時間自旋會給CPU帶來非常大的執行開銷。

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