java中的CAS

2017年11月8日

前言

CAS，Compare and Swap即比较并替换，设计并发算法时常用到的一种技术，Doug lea大神在java同步器中大量使用了CAS技术，鬼斧神工的实现了多线程执行的安全性。

目前的处理器基本都支持CAS，只不过不同的厂家的实现不一样罢了。CAS有三个操作数：内存值V、旧的预期值A、要修改的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改为B并返回true，否则什么都不做并返回false。

实现分析

先看一段代码

public int a = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int b) {
    if (a == 1) {
        a = b;
        return true;
    }
    return false;
}

试想这段代码在多线程并发下，会发生什么？我们不妨来分析一下：

  1. 线程A执行到 a==1，正准备执行a = b时，线程B也正在运行a = b，并在线程A之前把a修改为2；最后线程A又把a修改成了3。结果就是两个线程同时修改了变量a，显然这种结果是无法符合预期的，无法确定a的值。
  2. 解决方法也很简单，在compareAndSwapInt方法加锁同步，变成一个原子操作，同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

CAS中的比较和替换是一组原子操作，不会被外部打断，先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V，在将内存值V和原值A作比较，要是相等就修改为要修改的值B，属于硬件级别的操作，效率比加锁操作高。

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类都是基于CAS实现的，接下去我们通过AtomicInteger来看看是如何通过CAS实现原子操作的：

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 {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
    public final int get() {return value;}
}
  1. Unsafe是CAS的核心类，Java无法直接访问底层操作系统，而是通过本地（native）方法来访问。不过尽管如此，JVM还是开了一个后门，JDK中有一个类Unsafe，它提供了硬件级别的原子操作。
  2. valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址，因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的。
  3. value是用volatile修饰的，保证了多线程之间看到的value值是同一份。

接下去，我们看看AtomicInteger是如何实现并发下的累加操作：

//jdk1.8实现
public final int getAndAdd(int delta) {    
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

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;
}

在jdk1.8中，比较和替换操作放在unsafe类中实现。

假设现在线程A和线程B同时执行getAndAdd操作：

  1. AtomicInteger里面的value原始值为3，即主内存中AtomicInteger的value为3，根据Java内存模型，线程A和线程B各自持有一份value的副本，值为3。
  2. 线程A通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，线程切换，线程A挂起。
  3. 线程B通过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，并利用compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，比较成功，修改内存值为4，线程切换，线程B挂起。
  4. 线程A恢复，利用compareAndSwapInt方法比较，发手里的值3和内存值4不一致，此时value正在被另外一个线程修改，线程A不能修改value值。
  5. 线程的compareAndSwapInt实现，循环判断，重新获取value值，因为value是volatile变量，所以线程对它的修改，线程A总是能够看到。线程A继续利用compareAndSwapInt进行比较并替换，直到compareAndSwapInt修改成功返回true。

整个过程中，利用CAS保证了对于value的修改的线程安全性。

我们继续深入看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);

可以看到，这是一个本地方法调用，这个本地方法在openjdk中依次调用c++代码：unsafe.cpp，atomic.cpp，atomic_window_x86.inline.hpp。下面是对应于intel X86处理器的源代码片段。

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
    int mp = os::isMP(); //判断是否是多处理器
    _asm {
        mov edx, dest
        mov ecx, exchange_value
        mov eax, compare_value
        LOCK_IF_MP(mp)
        cmpxchg dword ptr [edx], ecx
    }
}

从上面的源码中可以看出，会根据当前处理器类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

  1. 如果是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。
  2. 反之，就省略lock前缀。（单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果）

intel手册对lock前缀的说明如下：

  1. 确保对内存读改写操作的原子执行。
    在Pentium及之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存，很显然，这个开销很大。在新的处理器中，Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性。缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。
  2. 禁止该指令，与前面和后面的读写指令重排序。
  3. 把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。

上面的第2点和第3点所具有的内存屏障效果，保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题，即ABA问题。
如果变量V初次读取的时候是A，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A，那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？如果在这段期间它的值曾经被改成了B，然后又改回A，那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类"AtomicStampedReference"，它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

作者：占小狼
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來源：简书
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