并发学习-【转】深入理解并发之CompareAndSet(CAS)

 程老师原文地址：http://flychao88.iteye.com/blog/2269438

原文如下：

一、CAS简介

CAS：Compare and Swap, 翻译成比较并交换。 

java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁，使用这些类在多核CPU的机器上会有比较好的性能.

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

今天我们主要是针对AtomicInteger的incrementAndGet做深入分析。

 

二、JAVA实现部分

Java代码  

1. /** 
2.      * Atomically increments by one the current value. 
3.      * 
4.      * @return the updated value 
5.      */  
6.     public final int incrementAndGet() {  
7.         for (;;) {  
8.             int current = get();  
9.             int next = current + 1;  
10.             if (compareAndSet(current, next))  
11.                 return next;  
12.         }  
13.     }  

  循环的内容是
1.取得当前值
2.计算+1后的值
3.如果当前值没有被覆盖的话设置那个+1后的值
4.如果设置没成功, 再从1开始

在这个方法中可以看到compareAndSet这个方法，我们进入看一下。

Java代码  

1. /** 
2.      * Atomically sets the value to the given updated value 
3.      * if the current value {@code ==} the expected value. 
4.      * 
5.      * @param expect the expected value 
6.      * @param update the new value 
7.      * @return true if successful. False return indicates that 
8.      * the actual value was not equal to the expected value. 
9.      */  
10.     public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {  
11.         return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);  
12.     }  

 调用UnSafe这个类的compareAndSwapInt

  

Java代码  

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

 JAVA程序也就跟踪到这里为止了，剩下的就是通过JNI调用C程序了，可是我奇怪的是为什么变量名都是var1，var2这样的命名呢？JAVA编程规范不是说不使用1，2等没有含义的字符命名吗？

 

三、JNI原生实现部分

在openJDK中找到找到unsafe.cpp这个文件，代码如下：

Java代码  

1. UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))  
2.   UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");  
3.   oop p = JNIHandles::resolve(obj);  
4.   jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);  
5.   return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;  
6. UNSAFE_END  

 核心方法是compxchg，这个方法所属的类文件是在OS_CPU目录下面，由此可以看出这个类是和CPU操作有关，进入代码如下：

Java代码  

1. inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {  
2.   // alternative for InterlockedCompareExchange  
3.   int mp = os::is_MP();  
4.   __asm {  
5.     mov edx, dest  
6.     mov ecx, exchange_value  
7.     mov eax, compare_value  
8.     LOCK_IF_MP(mp)  
9.     cmpxchg dword ptr [edx], ecx  
10.   }  
11. }  

 这个方法里面都是汇编指命，看到LOCK_IF_MP也有锁指令实现的原子操作，其实CAS也算是有锁操作，只不过是由CPU来触发，比synchronized性能好的多。

**********************学习笔记开始*********************************

又开始深入学习了，大神就是这么厉害。

写个demo测试下吧。跟大神一样就演示下AtomicInteger

public class CASTest {
	static int i = 0;
	static AtomicInteger j = new AtomicInteger(0);

	public void count() {
		i++;
	}

	public void safecount() {
		j.getAndIncrement();
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException { // TODO

		final CASTest c = new CASTest();
		ExecutorService executorService = Executors.newFixedThreadPool(50);
		for (int k = 0; k < 100; k++) {
			executorService.execute(new Runnable() {
				@Override
				public void run() {
					for (int m = 0; m < 100; m++) {
						c.count();
						c.safecount();
					}
				}
			});

		}
		Thread.sleep(5000);
		System.out.println("castest	 50	 threads run  add:");
		System.out.println("count:" + i);
		System.out.println("safecount:" + j.get());

	}

}

运行结果如下（每次结果可能不同）：

可以看出并发情况下，不采用线程安全的类容易出错。当然这背后是基于cas的，上文已经介绍了。

知识点1多核cpu如何去实现“原子操作”。相关知识点：缓存行（cacheline）、CPU流水线（CPU line）

处理器保证系统从内存当中读取一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器是不能访问这个字节的地址的。最新的Intel X86能保证单处理器对同一缓存行里进行的16/32/64位操作是原子的。复杂的内存操作如跨总线宽度、跨缓存行，处理器通过总线锁定和缓存锁定来保证原子性。这两种机制Intel提供很多lock指令来实现，比如上文说的cmpxchg。

     知识点2：JDK文档说cas同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

    针对上文说的cmpxchg指令，在多处理器下会加入LOCK前缀（LOCK  cmpxchg），单处理器会忽略LOCK前缀。

Intel对lock前缀有特殊说明：

  1.根据内存区域不同提供总线锁定和缓存锁定。

 2.禁止改指令与之前和之后的读指令和写指令重排序。

3.把写缓冲区的数据全部刷新到内存中。

2,、3点所具有的内存屏障效果，满足了volatile读和volatile写的内存语义。

知识点3：CAS缺点：

问题1：ABA问题

1. 因为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。ABA问题的解决思路就是使用版本号。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。从Java1.5开始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。
2. 循环时间长开销大。自旋CAS如果长时间不成功，会给CPU带来非常大的执行开销。如果JVM能支持处理器提供的pause指令那么效率会有一定的提升，pause指令有两个作用，第一它可以延迟流水线执行指令（de-pipeline）,使CPU不会消耗过多的执行资源，延迟的时间取决于具体实现的版本，在一些处理器上延迟时间是零。第二它可以避免在退出循环的时候因内存顺序冲突（memory order violation）而引起CPU流水线被清空（CPU pipeline flush），从而提高CPU的执行效率。

再补充下AtomicStampedReference

public class AtomicStampedReference {

    private static class Pair {
        final T reference;//维护对象引用
        final int stamp;//标识版本
        private Pair(T reference, int stamp) {
            this.reference = reference;
            this.stamp = stamp;
        }
        static  Pair of(T reference, int stamp) {
            return new Pair(reference, stamp);
        }
    }
...
   
 public boolean compareAndSet(V   expectedReference, //更新之前的原始值
                                 V   newReference,//要更新de值
                                 int expectedStamp,//期待的版本
                                 int newStamp) {//要更新的版本
        Pair current = pair;
        return
            expectedReference == current.reference &&//判断相等，说明值未变化
            expectedStamp == current.stamp &&//版本想等
            ((newReference == current.reference &&
              newStamp == current.stamp) ||//要更新的值、版本与老的相等
             casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));//cas更新pair
    }

 

参考：http://ifeve.com/atomic-operation/