Java里的CompareAndSet(CAS)

Posted 2020-09-06 乱码出黑客

摘录：http://www.blogjava.net/mstar/archive/2013/04/24/398351.html

CAS：Compare and Swap, 翻译成比较并交换。

java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁，使用这些类在多核CPU的机器上会有比较好的性能.

今天我们主要是针对AtomicInteger的incrementAndGet做深入分析。

二、JAVA实现部分

1. incrementAndGet的实现

    public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

循环的内容是

循环的内容是
1.取得当前值
2.计算+1后的值
3.如果当前值还有效(没有被)的话设置那个+1后的值
4.如果设置没成功(当前值已经无效了即被别的线程改过了), 再从1开始.

在这个方法中可以看到compareAndSet这个方法，我们进入看一下。

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

调用UnSafe这个类的compareAndSwapInt

    /**
     * Atomically update Java variable to <tt>x</tt> if it is currently
     * holding <tt>expected</tt>.
     * @return <tt>true</tt> if successful
     */
    public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);

直接调用的是UnSafe这个类的compareAndSwapInt方法
全称是sun.misc.Unsafe. 这个类是Oracle(Sun)提供的实现. 可以在别的公司的JDK里就不是这个类了

三、JNI原生实现部分

4. compareAndSwapInt的native实现
如果你下载了OpenJDK的源代码的话在hotspot\src\share\vm\prims\目录下可以找到unsafe.cpp

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

可以看到实际上调用Atomic类的cmpxchg方法.

5. Atomic的cmpxchg
这个类的实现是跟操作系统有关, 跟CPU架构也有关, 如果是windows下x86的架构
实现在hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vm\目录的atomic_windows_x86.inline.hpp文件里

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
  }
}

在这里可以看到是用嵌入的汇编实现的, 关键CPU指令是 cmpxchg
到这里没法再往下找代码了. 也就是说CAS的原子性实际上是CPU实现的. 其实在这一点上还是有排他锁的. 只是比起用synchronized, 这里的排他时间要短的多. 所以在多线程情况下性能会比较好.

 

以上是关于Java里的CompareAndSet(CAS)的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章

Java CAS(CompareAndSet) 乐观锁

java-CAS

不支持 CAS 操作的处理器上的 compareAndSet

cas底层原理

CAS自旋volatile变量

JAVA并发编程的艺术