java基础教程栏目介绍分析Java CAS
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1、简介
CAS 全称是 compare and swap，是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。CAS 操作包含三个操作数 -- 内存位置、预期数值和新值。CAS 的实现逻辑是将内存位置处的数值与预期数值想比较，若相等，则将内存位置处的值替换为新值。若不相等，则不做任何操作。
在 Java 中，Java 并没有直接实现 CAS，CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的。Java 代码需通过 JNI 才能调用。关于实现上的细节，我将会在第3章进行分析。
前面说了 CAS 操作的流程，并不是很难。但仅有上面的说明还不够，接下来我将会再介绍一点其他的背景知识。有这些背景知识，才能更好的理解后续的内容。
2.背景介绍
我们都知道，CPU 是通过总线和内存进行数据传输的。在多核心时代下，多个核心通过同一条总线和内存以及其他硬件进行通信。如下图：
图片出处：《深入理解计算机系统》
上图是一个较为简单的计算机结构图，虽然简单，但足以说明问题。在上图中，CPU 通过两个蓝色箭头标注的总线与内存进行通信。大家考虑一个问题，CPU 的多个核心同时对同一片内存进行操作，若不加以控制，会导致什么样的错误？这里简单说明一下，假设核心1经32位带宽的总线向内存写入64位的数据，核心1要进行两次写入才能完成整个操作。若在核心1第一次写入32位的数据后，核心2从核心1写入的内存位置读取了64位数据。由于核心1还未完全将64位的数据全部写入内存中，核心2就开始从该内存位置读取数据，那么读取出来的数据必定是混乱的。
不过对于这个问题，实际上不用担心。通过 Intel 开发人员手册，我们可以了解到自奔腾处理器开始，Intel 处理器会保证以原子的方式读写按64位边界对齐的四字（quadword）。
根据上面的说明，我们可总结出，Intel 处理器可以保证单次访问内存对齐的指令以原子的方式执行。但如果是两次访存的指令呢？答案是无法保证。比如递增指令inc dword ptr [...]，等价于DEST = DEST + 1。该指令包含三个操作读->改->写，涉及两次访存。考虑这样一种情况，在内存指定位置处，存放了一个为1的数值。现在 CPU 两个核心同时执行该条指令。两个核心交替执行的流程如下：
- 核心1 从内存指定位置出读取数值1，并加载到寄存器中
- 核心2 从内存指定位置出读取数值1，并加载到寄存器中
- 核心1 将寄存器中值递减1
- 核心2 将寄存器中值递减1
- 核心1 将修改后的值写回内存
- 核心2 将修改后的值写回内存
经过执行上述流程，内存中的最终值时2，而我们期待的是3，这就出问题了。要处理这个问题，就要避免两个或多个核心同时操作同一片内存区域。那么怎样避免呢？这就要引入本文的主角 - lock 前缀。关于该指令的详细描述，可以参考 Intel 开发人员手册 Volume 2 Instruction Set Reference，Chapter 3 Instruction Set Reference A-L。我这里引用其中的一段，如下：
LOCK—Assert LOCK# Signal Prefix
Causes the processor’s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal ensures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.
上面描述的重点已经用黑体标出了，在多处理器环境下，LOCK# 信号可以确保处理器独占使用某些共享内存。lock 可以被添加在下面的指令前：
ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, CMPXCHG16B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG.
通过在 inc 指令前添加 lock 前缀，即可让该指令具备原子性。多个核心同时执行同一条 inc 指令时，会以串行的方式进行，也就避免了上面所说的那种情况。那么这里还有一个问题，lock 前缀是怎样保证核心独占某片内存区域的呢？答案如下：
在 Intel 处理器中，有两种方式保证处理器的某个核心独占某片内存区域。第一种方式是通过锁定总线，让某个核心独占使用总线，但这样代价太大。总线被锁定后，其他核心就不能访问内存了，可能会导致其他核心短时内停止工作。第二种方式是锁定缓存，若某处内存数据被缓存在处理器缓存中。处理器发出的 LOCK# 信号不会锁定总线，而是锁定缓存行对应的内存区域。其他处理器在这片内存区域锁定期间，无法对这片内存区域进行相关操作。相对于锁定总线，锁定缓存的代价明显比较小。关于总线锁和缓存锁，更详细的描述请参考 Intel 开发人员手册 Volume 3 Software Developer’s Manual，Chapter 8 Multiple-Processor Management。
3.源码分析
有了上面的背景知识，现在我们就可以从容不迫的阅读 CAS 的源码了。本章的内容将对 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法进行分析，相关分析如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
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
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
/*
* compareAndSet 实际上只是一个壳子，主要的逻辑封装在 Unsafe 的
* compareAndSwapInt 方法中
*/
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// ......
}
public final class Unsafe {
// compareAndSwapInt 是 native 类型的方法，继续往下看
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
// ......
}
// 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）：
*
* jni.h
* typedef unsigned char jboolean;
* typedef unsigned short jchar;
* typedef short jshort;
* typedef float jfloat;
* typedef double jdouble;
*
* jni_md.h
* typedef int jint;
* #ifdef _LP64 // 64-bit
* typedef long jlong;
* #else
* typedef long long jlong;
* #endif
* typedef signed char jbyte;
*/
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 的实现过程就讲完了，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。
4.ABA 问题
谈到 CAS，基本上都要谈一下 CAS 的 ABA 问题。CAS 由三个步骤组成，分别是“读取->比较->写回”。考虑这样一种情况，线程1和线程2同时执行 CAS 逻辑，两个线程的执行顺序如下：
- 时刻1：线程1执行读取操作，获取原值 A，然后线程被切换走
- 时刻2：线程2执行完成 CAS 操作将原值由 A 修改为 B
- 时刻3：线程2再次执行 CAS 操作，并将原值由 B 修改为 A
- 时刻4：线程1恢复运行，将比较值（compareValue）与原值（oldValue）进行比较，发现两个值相等。然后用新值（newValue）写入内存中，完成 CAS 操作
如上流程，线程1并不知道原值已经被修改过了，在它看来并没什么变化，所以它会继续往下执行流程。对于 ABA 问题，通常的处理措施是对每一次 CAS 操作设置版本号。java.util.concurrent.atomic 包下提供了一个可处理 ABA 问题的原子类 AtomicStampedReference，具体的实现这里就不分析了，有兴趣的朋友可以自己去看看。
5.总结
写到这里，这篇文章总算接近尾声了。虽然 CAS 本身的原理，包括实现都不是很难，但是写起来真的不太好写。这里面涉及到了一些底层的知识，虽然能看懂，但想说明白，还是有点难度的。由于我底层的知识比较欠缺，上面的一些分析难免会出错。所以如有错误，请轻喷，当然最好能说明怎么错的，感谢。
好了，本篇文章就到这里。感谢阅读，再见。
附录
在前面源码分析一节中用到的几个文件，这里把路径贴出来。有助于大家进行索引，如下：
| 文件名 | 路径 |
|---|---|
| Unsafe.java | openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java |
| unsafe.cpp | openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp |
| atomic.cpp | openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.cpp |
| atomic_windows_x86.inline.hpp | openjdk/hotspot/src/os_cpu/windows_x86/vm/atomic_windows_x86.inline.hpp |
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