Java并发基础:了解无锁CAS就从源码分析

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Java并发基础:了解无锁CAS就从源码分析

java小朔哥 2018-08-05 20:46:00 浏览382
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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); }

}

复制代码

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

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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);

}

复制代码

//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);

}

复制代码

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:openjdkjdksrcshareclassessunmiscUnsafe.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;

}

复制代码

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);

}

}

复制代码

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:

www.cnblogs.com/pkufork/p/j…

//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,intexpected,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;

}

复制代码

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);

}

复制代码

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

}

}

复制代码

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

}

}

复制代码

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:

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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 {

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 Pair of(T reference, int stamp) {

return new Pair(reference, stamp);

}

}

复制代码

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  Pair of(T reference, int stamp) {

return new Pair(reference, stamp);

}

}

//作为一个整体的pair变量被volatile修饰

private volatile Pair 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;

}

}

}

复制代码

/**

* @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 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 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 cmp, Pair val) {

return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);

}

复制代码

期望 Pair cmp(A) == 当前内存存偏移量位置 Pair(V),就更新值 Pair val(B)成功返回true 否则 false

public static void main(String[] args) {

AtomicStampedReference num = new AtomicStampedReference(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");

}

}

复制代码

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。

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