Java 8 中 CAS 的增強

airland發表於2021-09-09
Java


幾天前，我偶然地將之前寫的用來測試AtomicInteger和synchronized的自增效能的程式碼跑了一下，意外地發現AtomicInteger的效能比synchronized更好了，經過一番原因查詢，有了如下發現：

在jdk1.7中，AtomicInteger的getAndIncrement是這樣的：

public final int getAndIncrement() {    for (;;) {        int current = get();        int next = current + 1;        if (compareAndSet(current, next))            return current;
    }
}public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

而在jdk1.8中，是這樣的：

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

可以看出，在jdk1.8中，直接使用了Unsafe的getAndAddInt方法，而在jdk1.7的Unsafe中，沒有此方法。（PS:為了找出原因，我反編譯了Unsafe，發現CAS的失敗重試就是在getAndAddInt方法裡完成的，我用反射獲取到Unsafe例項，編寫了跟getAndAddInt相同的程式碼，但測試結果卻跟jdk1.7的getAndIncrement一樣慢，不知道Unsafe裡面究竟玩了什麼黑魔法，還請高人不吝指點）（補充：文章末尾已有推論）

透過檢視AtomicInteger的原始碼可以發現，受影響的還有getAndAdd、addAndGet等大部分方法。

有了這次對CAS的增強，我們又多了一個使用非阻塞演算法的理由。

最後給出測試程式碼，需要注意的是，此測試方法簡單粗暴，compareAndSet的效能不如synchronized，並不能簡單地說synchronized就更好，兩者的使用方式是存在差異的，而且在實際使用中，還有業務處理，不可能有如此高的競爭強度，此對比僅作為一個參考，該測試能夠證明的是，AtomicInteger.getAndIncrement的效能有了大幅提升。

package performance;import java.util.concurrent.CountDownLatch;import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;import java.util.concurrent.locks.LockSupport;public class AtomicTest {	//測試規模，呼叫一次getAndIncreaseX視作提供一次業務服務，記錄提供TEST_SIZE次服務的耗時
	private static final int TEST_SIZE = 100000000;	//客戶執行緒數
	private static final int THREAD_COUNT = 10;	//使用CountDownLatch讓各執行緒同時開始
	private CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(THREAD_COUNT + 1);	private int n = 0;	private AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);	private long startTime;	public void init() {
		startTime = System.nanoTime();
	}	/**
	 * 使用AtomicInteger.getAndIncrement，測試結果為1.8比1.7有明顯效能提升
	 * @return
	 */
	private final int getAndIncreaseA() {		int result = ai.getAndIncrement();		if (result == TEST_SIZE) {
			System.out.println(System.nanoTime() - startTime);
			System.exit(0);
		}		return result;
	}	/**
	 * 使用synchronized來完成同步，測試結果為1.7和1.8幾乎無效能差別
	 * @return
	 */
	private final int getAndIncreaseB() {		int result;		synchronized (this) {
			result = n++;
		}		if (result == TEST_SIZE) {
			System.out.println(System.nanoTime() - startTime);
			System.exit(0);
		}		return result;
	}	/**
	 * 使用AtomicInteger.compareAndSet在java程式碼層面做失敗重試（與1.7的AtomicInteger.getAndIncrement的實現類似），
	 * 測試結果為1.7和1.8幾乎無效能差別
	 * @return
	 */
	private final int getAndIncreaseC() {		int result;
		do {
			result = ai.get();
		} while (!ai.compareAndSet(result, result + 1));		if (result == TEST_SIZE) {
			System.out.println(System.nanoTime() - startTime);
			System.exit(0);
		}		return result;
	}	public class MyTask implements Runnable {		@Override
		public void run() {
			cdl.countDown();			try {
				cdl.await();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}			while (true)
				getAndIncreaseA();// getAndIncreaseB();
		}
	}	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		AtomicTest at = new AtomicTest();		for (int n = 0; n 
以下是在Intel(R) Core(TM) i7-4710HQ CPU @2.50GHz（四核八執行緒）下的測試結果(波動較小，所以每項只測試了四五次，取其中一個較中間的值)：
jdk1.7
AtomicInteger.getAndIncrement 12,653,757,034
synchronized 4,146,813,462
AtomicInteger.compareAndSet 12,952,821,234
jdk1.8
AtomicInteger.getAndIncrement 2,159,486,620
synchronized 4,067,309,911
AtomicInteger.compareAndSet 12,893,188,541
補充：應網友要求，在此提供Unsafe.getAndAddInt的相關原始碼以及我的測試程式碼。
用jad反編譯jdk1.8中Unsafe得到的原始碼：
public final int getAndAddInt(Object obj, long l, int i){    int j;
    do
        j = getIntVolatile(obj, l);    while(!compareAndSwapInt(obj, l, j, j + i));    return j;
}public native int getIntVolatile(Object obj, long l);public final native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long l, int i, int j);
openjdk8的Unsafe原始碼：
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));    return v;
}public native int     getIntVolatile(Object o, long offset);public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,                                              int expected,                                              int x);
我的測試程式碼(提示：如果eclipse等ide報錯，那是因為使用了受限的Unsafe，可以將警告級別從error降為warning，具體百度即可)：
...
import sun.misc.Unsafe;public class AtomicTest {
	....	private Unsafe unsafe;	private long valueOffset;	public AtomicTest(){
		Field f;		try {
			f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
			f.setAccessible(true);			unsafe = (Unsafe)f.get(null);
			valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
		}catch(NoSuchFieldException e){
		...
		}
	}	private final int getAndIncreaseD(){		int result;		do{
			result = unsafe.getIntVolatile(ai, valueOffset);
		}while(!unsafe.compareAndSwapInt(ai, valueOffset, result, result+1));		if(result == MAX){
			System.out.println(System.nanoTime()-startTime);
			System.exit(0);
		}		return result;
	}
	...
}
補充2：對於效能提升的原因，有以下推論，雖不敢說百分之百正確（因為沒有用jvm的原始碼作為論據），但還是有很大把握的，感謝網友@周 可人和@liuxinglanyue！
Unsafe是經過特殊處理的，不能理解成常規的java程式碼，區別在於：
在呼叫getAndAddInt的時候，如果系統底層支援fetch-and-add，那麼它執行的就是native方法，使用的是fetch-and-add；
如果不支援，就按照上面的所看到的getAndAddInt方法體那樣，以java程式碼的方式去執行，使用的是compare-and-swap；
這也正好跟openjdk8中Unsafe::getAndAddInt上方的註釋相吻合：
// The following contain CAS-based Java implementations used on// platforms not supporting native instructions
Unsafe的特殊處理也就是我上文所說的“黑魔法”。
相關連結：
http://ashkrit.blogspot.com/2014/02/atomicinteger-java-7-vs-java-8.html
http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/hs-dev/jdk/file/a006fa0a9e8f/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java

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