Java并发基础:了解无锁CAS就从源码分析
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:
https://www.cnblogs.com/pkufork/p/java_unsafe.html
//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<V> cmp(A) == 当前内存存偏移量位置 Pair(V),就更新值 Pair<V> 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。
参考:
https://www.cnblogs.com/nullllun/p/9039049.html
https://blog.csdn.net/a67474506/article/details/48310515
Contact
- 作者:鹏磊
- 出处:http://www.ymq.io/2018/08/04/java-cas
- 版权归作者所有,转载请注明出处
- Wechat:关注公众号,搜云库,专注于开发技术的研究与知识分享