「BATJ面试系列」并发编程之CAS源码分析
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CAS的全称为Compare And Swap，直译就是比较交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，在intel的CPU中，使用的是cmpxchg指令，就是说CAS是靠硬件实现的，从而在硬件层面提升效率。
CSA 原理
利用CPU的CAS指令，同时借助JNI来完成Java的非阻塞算法，其它原子操作都是利用类似的特性完成的。在 java.util.concurrent 下面的源码中，Atomic, ReentrantLock 都使用了Unsafe类中的方法来保证并发的安全性。
CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁，JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁来保持原子更新。
CAS 操作包含三个操作数 ：内存偏移量位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。
源码分析
下面来看一下 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger.java，getAndIncrement()，getAndDecrement()是如何利用CAS实现原子性操作的。
AtomicInteger 源码解析
// 使用 unsafe 类的原子操作方式
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
//计算变量 value 在类对象中的偏移量
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
valueOffset 字段表示"value" 内存位置，在compareAndSwap 方法 ,第二个参数会用到.
关于偏移量
Unsafe调用C语言可以通过偏移量对变量进行操作
//volatile变量value
private volatile int value;
/**
* 创建具有给定初始值的新 AtomicInteger
*
* @param initialValue 初始值
*/
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
}
//返回当前的值
public final int get() {
return value;
}
//原子更新为新值并返回旧值
public final int getAndSet(int newValue) {
return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);
}
//最终会设置成新值
public final void lazySet(int newValue) {
unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);
}
//如果输入的值等于预期值，则以原子方式更新为新值
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
//方法相当于原子性的 ++i
public final int getAndIncrement() {
//三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、递增的值。
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
//方法相当于原子性的 --i
public final int getAndDecrement() {
//三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、递减的值。
return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}
实现逻辑封装在 Unsafe 中 getAndAddInt 方法，继续往下看，Unsafe 源码解析
Unsafe 源码解析
在JDK8中追踪可见sun.misc.Unsafe这个类是无法看见源码的，打开openjdk8源码看
文件：openjdk-8-src-b132-03_mar_2014.zip
目录：openjdk\jdk\src\share\classes\sun\misc\Unsafe.java
通常我们最好也不要使用Unsafe类，除非有明确的目的，并且也要对它有深入的了解才行。要想使用Unsafe类需要用一些比较tricky的办法。Unsafe类使用了单例模式，需要通过一个静态方法getUnsafe()来获取。但Unsafe类做了限制，如果是普通的调用的话，它会抛出一个SecurityException异常；只有由主类加载器加载的类才能调用这个方法。
下面是sun.misc.Unsafe.java类源码
//获取Unsafe实例静态方法
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
throw new SecurityException("Unsafe");
return theUnsafe;
}
网上也有一些办法来用主类加载器加载用户代码，最简单方法是利用Java反射，方法如下：
private static Unsafe unsafe;
static {
try {
//通过反射获取rt.jar下的Unsafe类
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) field.get(null);
} catch (Exception e) {
System.out.println("Get Unsafe instance occur error" + e);
}
}
获取到Unsafe实例之后，我们就可以为所欲为了。Unsafe类提供了以下这些功能：
//native硬件级别的原子操作
//类似的有compareAndSwapInt,compareAndSwapLong,compareAndSwapBoolean,compareAndSwapChar等等。
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
//内部使用自旋的方式进行CAS更新（while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试）
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
int v;
do {
//获取对象内存地址偏移量上的数值v
v = getIntVolatile(o, offset);
//如果现在还是v,设置为 v + delta,否则返回false,继续循环再次重试.
} while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
return v;
}
利用 Unsafe 类的 JNI compareAndSwapInt 方法实现，使用CAS实现一个原子操作更新
compareAndSwapInt 四个参数：
1、当前的实例
2、实例变量的内存地址偏移量
3、预期的旧值
4、要更新的值
unsafe.cpp 深层次解析
// unsafe.cpp
/*
* 这个看起来好像不像一个函数，不过不用担心，不是重点。UNSAFE_ENTRY 和 UNSAFE_END 都是宏，
* 在预编译期间会被替换成真正的代码。下面的 jboolean、jlong 和 jint 等是一些类型定义（typedef）：
*
* 省略部分内容
*/
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);
// 根据偏移量，计算 value 的地址。这里的 offset 就是 AtomaicInteger 中的 valueOffset
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// 调用 Atomic 中的函数 cmpxchg，该函数声明于 Atomic.hpp 中
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
// atomic.cpp
unsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value, volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value) {
assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");
/*
* 根据操作系统类型调用不同平台下的重载函数，这个在预编译期间编译器会决定调用哪个平台下的重载
* 函数。相关的预编译逻辑如下：
*
* atomic.inline.hpp：
* #include "runtime/atomic.hpp"
*
* // Linux
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86
* # include "atomic_linux_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* // 省略部分代码
*
* // Windows
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_windows_x86
* # include "atomic_windows_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* // BSD
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_x86
* # include "atomic_bsd_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* 接下来分析 atomic_windows_x86.inline.hpp 中的 cmpxchg 函数实现
*/
return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
(jint)compare_value);
}
上面的分析看起来比较多，不过主流程并不复杂。如果不纠结于代码细节，还是比较容易看懂的。接下来，我会分析 Windows 平台下的 Atomic::cmpxchg 函数。继续往下看吧。
// atomic_windows_x86.inline.hpp
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
__asm je L0 \
__asm _emit 0xF0 \
__asm L0:
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
// alternative for InterlockedCompareExchange
int mp = os::is_MP();
__asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
上面的代码由 LOCK_IF_MP 预编译标识符和 cmpxchg 函数组成。为了看到更清楚一些，我们将 cmpxchg 函数中的 LOCK_IF_MP 替换为实际内容。如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
// 判断是否是多核 CPU
int mp = os::is_MP();
__asm {
// 将参数值放入寄存器中
mov edx, dest // 注意: dest 是指针类型，这里是把内存地址存入 edx 寄存器中
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
// LOCK_IF_MP
cmp mp, 0
/*
* 如果 mp = 0，表明是线程运行在单核 CPU 环境下。此时 je 会跳转到 L0 标记处，
* 也就是越过 _emit 0xF0 指令，直接执行 cmpxchg 指令。也就是不在下面的 cmpxchg 指令
* 前加 lock 前缀。
*/
je L0
/*
* 0xF0 是 lock 前缀的机器码，这里没有使用 lock，而是直接使用了机器码的形式。至于这样做的
* 原因可以参考知乎的一个回答：
* https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923
*/
_emit 0xF0
L0:
/*
* 比较并交换。简单解释一下下面这条指令，熟悉汇编的朋友可以略过下面的解释:
* cmpxchg: 即“比较并交换”指令
* dword: 全称是 double word，在 x86/x64 体系中，一个
* word = 2 byte，dword = 4 byte = 32 bit
* ptr: 全称是 pointer，与前面的 dword 连起来使用，表明访问的内存单元是一个双字单元
* [edx]: [...] 表示一个内存单元，edx 是寄存器，dest 指针值存放在 edx 中。
* 那么 [edx] 表示内存地址为 dest 的内存单元
*
* 这一条指令的意思就是，将 eax 寄存器中的值（compare_value）与 [edx] 双字内存单元中的值
* 进行对比，如果相同，则将 ecx 寄存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 内存单元中。
*/
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
到这里 CAS 的实现过程就讲了，CAS 的实现离不开处理器的支持。以上这么多代码，其实核心代码就是一条带 lock 前缀的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx。
通过上述的分析，可以发现AtomicInteger原子类的内部几乎是基于前面分析过Unsafe类中的CAS相关操作的方法实现的，这也同时证明AtomicInteger getAndIncrement自增操作实现过程,是基于无锁实现的。
CAS的ABA问题及其解决方案
假设这样一种场景，当第一个线程执行CAS(V,E,U)操作。在获取到当前变量V，准备修改为新值U前，另外两个线程已连续修改了两次变量V的值，使得该值又恢复为旧值，这样的话，我们就无法正确判断这个变量是否已被修改过，如下图：
这就是典型的CAS的ABA问题，一般情况这种情况发现的概率比较小，可能发生了也不会造成什么问题，比如说我们对某个做加减法，不关心数字的过程，那么发生ABA问题也没啥关系。但是在某些情况下还是需要防止的，那么该如何解决呢？在Java中解决ABA问题，我们可以使用以下原子类
AtomicStampedReference类
AtomicStampedReference原子类是一个带有时间戳的对象引用，在每次修改后，AtomicStampedReference不仅会设置新值而且还会记录更改的时间。当AtomicStampedReference设置对象值时，对象值以及时间戳都必须满足期望值才能写入成功，这也就解决了反复读写时，无法预知值是否已被修改的窘境。
底层实现为： 通过Pair私有内部类存储数据和时间戳, 并构造volatile修饰的私有实例
接着看 java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference类的compareAndSet（）方法的实现：
private static class Pair<T> {
final T reference;
final int stamp;
//最好不要重复的一个数据,决定数据是否能设置成功,时间戳会重复
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
同时对当前数据和当前时间进行比较，只有两者都相等是才会执行casPair()方法，单从该方法的名称就可知是一个CAS方法，最终调用的还是Unsafe类中的compareAndSwapObject方法。
到这我们就很清晰AtomicStampedReference的内部实现思想了，通过一个键值对Pair存储数据和时间戳，在更新时对数据和时间戳进行比较，只有两者都符合预期才会调用Unsafe的compareAndSwapObject方法执行数值和时间戳替换，也就避免了ABA的问题。
/**
* 原子更新带有版本号的引用类型。
* 该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更数据和数据的版本号。
* 可以解决使用CAS进行原子更新时，可能出现的ABA问题。
*/
public class AtomicStampedReference<V> {
//静态内部类Pair将对应的引用类型和版本号stamp作为它的成员
private static class Pair<T> {
//最好不要重复的一个数据,决定数据是否能设置成功,建议时间戳
final T reference;
final int stamp;
private Pair(T reference, int stamp) {
this.reference = reference;
this.stamp = stamp;
}
//根据reference和stamp来生成一个Pair的实例
static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {
return new Pair<T>(reference, stamp);
}
}
//作为一个整体的pair变量被volatile修饰
private volatile Pair<V> pair;
//构造方法，参数分别是初始引用变量的值和初始版本号
public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {
pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);
}
....
private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();
private static final long pairOffset = objectFieldOffset(UNSAFE, "pair", AtomicStampedReference.class);
//获取pair成员的偏移地址
static long objectFieldOffset(sun.misc.Unsafe UNSAFE,
String field, Class<?> klazz) {
try {
return UNSAFE.objectFieldOffset(klazz.getDeclaredField(field));
} catch (NoSuchFieldException e) {
NoSuchFieldError error = new NoSuchFieldError(field);
error.initCause(e);
throw error;
}
}
}
/**
* @param 期望(老的)引用
* @param (新的)引用数据
* @param 期望(老的)标志stamp(时间戳)值
* @param (新的)标志stamp(时间戳)值
* @return 是否成功
*/
public boolean compareAndSet(V expectedReference,V newReference,int expectedStamp,int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
// 期望(老的)引用 == 当前引用
expectedReference == current.reference &&
// 期望(老的)标志stamp(时间戳)值 == 当前标志stamp(时间戳)值
expectedStamp == current.stamp &&
// (新的)引用数据 == 当前引用数据 并且 (新的)标志stamp(时间戳)值 ==当前标志stamp(时间戳)值
((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) ||
#原子更新值
casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}
//当引用类型的值与期望的一致的时候，原子的更改版本号为新的值。该方法只修改版本号，不修改引用变量的值，成功返回true
public boolean attemptStamp(V expectedReference, int newStamp) {
Pair<V> current = pair;
return
expectedReference == current.reference &&
(newStamp == current.stamp ||
casPair(current, Pair.of(expectedReference, newStamp)));
}
/**
* CAS真正实现方法
*/
private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {
return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);
}
期望 Pair cmp（A） == 当前内存存偏移量位置 Pair（V），就更新值 Pair val（B）成功返回true 否则 false
public static void main(String[] args) {
AtomicStampedReference<Integer> num = new AtomicStampedReference<Integer>(1, 0);
Integer i = num.getReference();
int stamped = num.getStamp();
if (num.compareAndSet(i, i + 1, stamped, stamped + 1)) {
System.out.println("测试成功");
}
}
通过以上原子更新方法，可见 AtomicStampedReference就是利用了Unsafe的CAS方法+Volatile关键字对存储实际的引用变量和int的版本号的Pair实例进行更新。
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