从汇编角度理解CAS机制+浅析ABA问题

Posted 2022-11-24 噫！微斯人，吾谁与归

✨CAS全称"Compare And Swap"，也就是"比较并替换"；它涉及三个操作数：内存值、预期值、新值。只有当内存值和预期值一致时，才能将内存值修改为新值。

📚CAS操作具有原子性，它的原子性由CPU硬件指令来保证；在Java的Unsafe.class定义了大量的原子操作。以CompareAndSwapInt()方法为例，分析汇编的实现。

找到HotSpot的Unsafe.cpp文件，/src/share/vm/prims/Unsafe.cpp，最终会调用到下面这个方法

/**
 *  jobject obj : 共享变量所在的对象
 * offset：偏移量，也就是对象的大小
 * e ：预期值
 * x : 新值
 * 
 */
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);
  //获取地址
  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset); 
//执行原子操作  
  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;               
UNSAFE_END

最终会调用到src/os_cpu/atomic_linux_x86.inline.hpp（我以x86架构为例）

#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: " //如果是多核CPU，会将lock返回
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) 
  int mp = os::is_MP();    //判断是否是多核CPU
  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"       //%1:交换值 (exchange_value), %3：比较值(compare_value)
                    : "=a" (exchange_value)
                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
                    : "cc", "memory");
  return exchange_value;    //返回交换值

lock前缀指令是核心，带lock前缀的指令在执行期间会锁住整个总线，使得其他线程无法通过总线访问主内存；后续科学家们对其进行了优化，如果携带lock前缀指令执行期间能够命中缓存，且访问的内存值包含在一个缓存行（64字节），则缓存行将被锁定，其他线程就无法访问。

🔔（1) 锁定缓存行(如果缓存命中，且内存值小于一个缓存行大小(64字节）
🔔（2) 锁定总线

❓ABA问题是什么？

A线程在执行过程中，B线程快速的操作变量之后又将其值进行了还原。导致这个过程对于B线程是不可见的。

A线程CAS执行num++，A线程在拿了初值之后，B线程迅速的拿到初值进行修改，并且又迅速进行了还原；此时A线程进行num++之后，对比内存值和预期值，发现是一致的。这就是ABA问题。

这个ABA问题是否需要解决，还需要看实际的场景，如果可以忍受这个问题，那么就不需要做出任何操作；如果想要解决这个问题，解决方法就是引入一个version版本号，num被修改一次，version就进行加1，每次线程修改num之后，需要对比num和version是否一致。