Java并发艺术-CAS

前言

CAS（Compare and Swap），即比较并替换，实现并发算法时经常使用到的一种技术，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。

CAS的思想很简单：三个参数，一个当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B，当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值修改成B并返回true，不然什么都不作，并返回false。

问题

一个n++的问题。

public class Case { public volatile int n; public void add() { n++; } } 

经过javap -verbose Case看看add方法的字节码指令

public void add(); flags: ACC_PUBLIC Code: stack=3, locals=1, args_size=1 0: aload_0 1: dup 2: getfield #2 // Field n:I 5: iconst_1 6: iadd 7: putfield #2 // Field n:I 10: return 

n++被拆分红了几个指令：

1. 执行getfield拿到原始n；
2. 执行iadd进行加1操做；
3. 执行putfield写把累加后的值写回n；

经过volatile修饰的变量能够保证线程之间的可见性，但并不能保证这3个指令的原子执行，在多线程并发执行下，没法作到线程安全，获得正确的结果，那么应该如何解决呢？

如何解决

在add方法加上synchronized修饰解决。

public class Case { public volatile int n;  public synchronized void add() { n++; } } 

这个方案固然可行，可是性能上差了点，还有其它方案么？

再来看一段代码

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

若是这段代码在并发下执行，会发生什么？

假设线程1和线程2都过了a==1的检测，都准备执行对a进行赋值，结果就是两个线程同时修改了变量a，显然这种结果是没法符合预期的，没法肯定a的最终值。

解决方法也一样暴力，在compareAndSwapInt方法加锁同步，变成一个原子操做，同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

除了低性能的加锁方案，咱们还可使用JDK自带的CAS方案，在CAS中，比较和替换是一组原子操做，不会被外部打断，且在性能上更占有优点。

下面以AtomicInteger的实现为例，分析一下CAS是如何实现的。

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，因为Java方法没法直接访问底层系统，须要经过本地（native）方法来访问，Unsafe至关于一个后门，基于该类能够直接操做特定内存的数据。
2. 变量valueOffset，表示该变量值在内存中的偏移地址，由于Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
3. 变量value用volatile修饰，保证了多线程之间的内存可见性。

看看AtomicInteger如何实现并发下的累加操做：

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

假设线程A和线程B同时执行getAndAdd操做（分别跑在不一样CPU上）：

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经过getIntVolatile(var1, var2)拿到value值3，这时线程A被挂起。
3. 线程B也经过getIntVolatile(var1, var2)方法获取到value值3，运气好，线程B没有被挂起，并执行compareAndSwapInt方法比较内存值也为3，成功修改内存值为2。
4. 这时线程A恢复，执行compareAndSwapInt方法比较，发现本身手里的值(3)和内存的值(2)不一致，说明该值已经被其它线程提早修改过了，那只能从新来一遍了。
5. 从新获取value值，由于变量value被volatile修饰，因此其它线程对它的修改，线程A老是可以看到，线程A继续执行compareAndSwapInt进行比较替换，直到成功。

整个过程当中，利用CAS保证了对于value的修改的并发安全，继续深刻看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法实现。

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

Unsafe类中的compareAndSwapInt，是一个本地方法，该方法的实现位于unsafe.cpp中

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); jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e; UNSAFE_END 

1. 先想办法拿到变量value在内存中的地址。
2. 经过Atomic::cmpxchg实现比较替换，其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。

若是是Linux的x86，Atomic::cmpxchg方法的实现以下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { int mp = os::is_MP(); __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)" : "=a" (exchange_value) : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp) : "cc", "memory"); return exchange_value; } 

看到这汇编，心里崩溃 😖

__asm__表示汇编的开始
volatile表示禁止编译器优化
LOCK_IF_MP是个内联函数

#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: " 

Window的x86实现以下：

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) { int mp = os::isMP(); //判断是不是多处理器 _asm { mov edx, dest mov ecx, exchange_value mov eax, compare_value LOCK_IF_MP(mp) cmpxchg dword ptr [edx], ecx } } // Adding a lock prefix to an instruction on MP machine // VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line // so we can't insert a label after the lock prefix. // By emitting a lock prefix, we can define a label after it. #define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \ __asm je L0 \ __asm _emit 0xF0 \ __asm L0: 

LOCK_IF_MP根据当前系统是否为多核处理器决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

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

intel手册对lock前缀的说明以下：

1. 确保后续指令执行的原子性。
   在Pentium及以前的处理器中，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没法经过总线访问内存，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，缓存锁定将大大下降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. 把写缓冲区的全部数据刷新到内存中。

上面的第2点和第3点所具备的内存屏障效果，保证了CAS同时具备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。

问题：若是变量V初次读取的时候是A，而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余线程修改过了吗？

若是在这段期间曾经被改为B，而后又改回A，那CAS操做就会误认为它历来没有被修改过。针对这种状况，java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类AtomicStampedReference，它能够经过控制变量值的版原本保证CAS的正确性。

 

做者：占小狼连接：https://www.jianshu.com/p/fb6e91b013cc來源：简书著做权归做者全部。商业转载请联系做者得到受权，非商业转载请注明出处。