Java CAS 底层代码实现

CAS

什么是CAS

在计算机科学中，比较和交换（Conmpare And Swap）是用于实现多线程同步的原子指令。它将内存位置的内容与给定值进行比较，只有在相同的情况下，将该内存位置的内容修改为新的给定值。这是作为单个原子操作完成的。原子性保证新值基于最新信息计算; 如果该值在同一时间被另一个线程更新，则写入将失败。操作结果必须说明是否进行替换; 这可以通过一个简单的布尔响应（这个变体通常称为比较和设置），或通过返回从内存位置读取的值来完成（摘自维基本科）
一些记忆点：
1.JDK1.5引入
2.Compare And Swap / 自旋锁 / 轻量级锁 / 乐观锁
3.juc（java.util.concurrent）包下AtomicInteger 等相关类底层都是CAS实现

底层原理

底层依靠Unsafe的CAS操作来保证原子性，从上到下依次查看源码，以AtomicInteger为例：

/**
 * Atomically adds the given value to the current value.
 *
 * @param delta the value to add
 * @return the previous value
 */
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

Unsafe.class

public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while (!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));//native方法

    return var5;
}   
********
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);//底层c++实现

compareAndSwapInt为native方法，对应底层hotspot虚拟机unsage.cpp，以openjdk-8u为例：

代码位置：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/89fb452b3688/src/share/vm/prims/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
***
这里可以看到最终使用了Atomic::cmpxchg来保证原子性，可继续跟进代码

Atomic::cmpxchg针对不同平台有不同的实现方式，这里以Linux-x86为例：

代码位置：http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/89fb452b3688/src/os_cpu/linux_x86/vm/atomic_linux_x86.inline.hpp
***
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "
***
inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  int mp = os::is_MP();
  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
                    : "=a" (exchange_value)
                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
                    : "cc", "memory");
  return exchange_value;
}
最重要的指令为 LOCK_IF_MP ， MP是指多CPU（multi processors），最终意义为多CPU的情况下需要lock，通过lock的方式来保证原子
lock指令的底层怎么保证原子性因为对这些不是太熟悉就不再做讨论

总结：JAVA中我们使用到涉及到CAS操作的底层实现为对应平台虚拟机中的c++代码(lock指令)实现来保证原子性。

CAS缺点

1.因为用自旋的方式来修改变量值，如果高并发情况下会造成循环时间长资源开销大的问题
2.只能保证一个共享变量的原子操作
3.会引发ABA问题
解决办法是在每次修改时增加版本或者时间戳来标记
jdk中可使用 AtomicStampedReference/AtomicMarkableReference
如果是简单值可以不需要版本号，引用类型复杂类型使用版本号来解决ABA问题

最后编辑于：2020.06.11 16:43:50