JAVACAS问题原理

JAVA多线程中&＃xff0c;线程安全问题是随处可见的问题&＃xff0c;JAVA早期版本使用synchronized来保证线程同步。JDK1.5之后引入CAS。

一、CAS的概念

  CAS&＃xff08;全称&＃xff1a;compare and swap&＃xff0c;比较和及交换&＃xff09;&＃xff0c;CAS至少需要三个操作数&＃xff0c;当前内存位置&＃xff08;VALUE&＃xff09;、预期的值&＃xff08;expectedValue&＃xff09;、新值&＃xff08;newValue&＃xff09;&＃xff0c;如图。当多个线程对同一个变量修改的时候&＃xff0c;CAS的做法是&＃xff1a;找到当前内存的存储的值&＃xff0c;然后和预期的值进行比较&＃xff0c;如果当前内存位置的值和expectedValue相等&＃xff0c;则自动将该值设置为newValue&＃xff0c;如果不可相等&＃xff0c;将再次获取当前位置的值比较&＃xff0c;直到当前内存的值和expectedValue相等&＃xff0c;然后才将内存的值设置为newValue。简单的说&＃xff0c;就是不断的进行比较&＃xff0c;直到成功后设置新值&＃xff0c;保证设置新值的时候不会去覆盖别的线程的设置的值。

二、以AtomicInteger.java为例

  JAVA中对AtomicInteger.java的注释如下&＃xff1a;可以原子方式更新int的值&＃xff0c;也就是说&＃xff0c;AtomicInteger.java这个类中&＃xff0c;涉及到的相关方法在操作行基本上都是原子性的&＃xff0c;基本都能保证线程安全问题。

1、getAndIncrement()方法

  JAVA中对getAndIncrement()的注释如下&＃xff1a;使用VarHandle.getAndAdd指定的内存效果&＃xff0c;以原子方式递增当前值&＃xff0c;相当于getAndAdd(1)。也就是说&＃xff0c;当我们调用getAndIncrement()的时候&＃xff0c;相当于系统帮我们以原子操作进行了i&＃43;&＃43;操作。

2、getAndAddInt()方法

  当我们调用getAndIncrement()时&＃xff0c;方法会调用Unsafe.java类中的getAndAddInt()方法&＃xff0c;源码如下&＃xff1a;

public final int getAndIncrement() {return U.getAndAddInt(this, VALUE, 1);
}public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {int v;do {v &＃61; getIntVolatile(o, offset);} while (!weakCompareAndSetInt(o, offset, v, v &＃43; delta));return v;}


  v相当于是i&＃43;&＃43;中的i&＃xff0c;o是当前对象&＃xff0c;也就是AtomicInteger.java对象&＃xff0c;因为这个o是从上层传递下来的&＃xff0c;offset为偏移量&＃xff0c;在UnSafe.java中&＃xff0c;通过获取o&＃43;offset的位置的值&＃xff0c;然后调用weakCompareAndSetInt()方法来进行原子操作。

3、weakCompareAndSetInt()方法

  到这里我们可以发现&＃xff0c;其实&＃xff0c;v就是我们期望的值&＃xff0c;x就是我们想要改变的值。

public final boolean weakCompareAndSetInt(Object o, long offset,int expected,int x) {return compareAndSetInt(o, offset, expected, x);}


4、compareAndSetInt()方法

  compareAndSetInt()方法是一个native方法&＃xff0c;也就是用c&＃43;&＃43;来实现的&＃xff0c;我们需要在JDK官网上下载JDK源码&＃xff0c;找到/openjdk/src/hotspot/share/prims/unsafe.cpp文件中的Unsafe_CompareAndSetInt()方法&＃xff0c;实际上它调用了atomic_cmpxchg()方法。compareAndSetInt()返回一个boolean类型的值&＃xff0c;这个boolean类型的值是atomic_cmpxchg()返回的寄存器中的值和新值比较的结果。如果相等&＃xff0c;就说明CAS成功&＃xff0c;新值设置成功&＃xff0c;返回true&＃xff0c;否则就说明CAS失败&＃xff0c;新值设置失败&＃xff0c;返回false。源码如下&＃xff1a;

UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSetInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x)) {oop p &＃61; JNIHandles::resolve(obj);if (p &＃61;&＃61; NULL) {volatile jint* addr &＃61; (volatile jint*)index_oop_from_field_offset_long(p, offset);return RawAccess<>::atomic_cmpxchg(x, addr, e) &＃61;&＃61; e;} else {assert_field_offset_sane(p, offset);return HeapAccess<>::atomic_cmpxchg_at(x, p, (ptrdiff_t)offset, e) &＃61;&＃61; e;}
} UNSAFE_END


5、atomic_cmpxchg()方法

  转到/openjdk/src/hotspot/os_cpu/linux_x86/atomic_linux_x86.hpp文件中&＃xff0c;查看atomic_cmpxchg具体的系统平台的实现&＃xff0c;源码如下&＃xff1a;

template<>
template<typename T>
inline T Atomic::PlatformCmpxchg<8>::operator()(T exchange_value,T volatile* dest,T compare_value,atomic_memory_order /* order */) const {STATIC_ASSERT(8 &＃61;&＃61; sizeof(T));__asm__ __volatile__ ("lock cmpxchgq %1,(%3)": "&＃61;a" (exchange_value): "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest): "cc", "memory");return exchange_value;
}


  到这里已经是汇编指令的级别代码了。
    “r” (exchange_value), “a” (compare_value), “r” (dest)&＃xff1a;表示将compare_value的值存入eax寄存器&＃xff0c;exchange_value、dest存入任意的通用寄存器。
    “&＃61;a” (exchange_value)&＃xff1a;表示将rax寄存器的值赋值给exchange_value变量。
    lock&＃xff1a;lock指令就是锁总线&＃xff0c;来保证这块内存的互斥性。
    cmpxchgq %1,(%3)&＃xff1a;实际上是cmpxchgq exchange_value, (dest)。首先把比较eax寄存器的值和dest的值是否相等&＃xff0c;如果相等&＃xff0c;则把exchange_value的值写入到dest指向的地址中&＃xff0c;如果不相等&＃xff0c;则把dest中的值写入到eax寄存器中。最中返回exchange_value&＃xff0c;而exchange_value存储的是eax寄存器中的值&＃xff0c;

总结

  本文主要是对JAVA多线程中CAS问题进行了一系列的探讨。内容设计面较广&＃xff0c;深入JAVA源码以及C&＃43;&＃43;源码&＃xff0c;深入了解了CAS工作的原理。