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Java中CAS底层实现原理分析

时间:2020-01-08 21:18:41      阅读:306      评论:0      收藏:0      [点我收藏+]

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CAS(无锁优化、自旋锁)原理分析

一、CAS(compareAndSwap)的概念

CAS全称Compare And Swap(比较与交换)解决多线程并行情况下使用锁造成性能损耗的一种机制

  CAS(V, A, B)V为内存地址、A为预期原值,B为新值。如果内存地址的值与预期原值相匹配,那么将该位置值更新为新值。否则,说明已经被其他线程更新,处理器不做任何操作;无论哪种情况,它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。而我们可以使用自旋锁,循环CAS,重新读取该变量再尝试再次修改该变量,也可以放弃操作。

技术图片

 

二、CAS(compareAndSwap)的产生

为什么需要CAS机制呢?我们先从一个错误现象谈起。我们经常使用volatile关键字修饰某一个变量,表明这个变量是全局共享的一个变量,同时具有了可见性和有序性。但是却没有原子性。比如说一个常见的操作a++。这个操作其实可以细分成三个步骤:

(1)从内存中读取a

(2)对a进行加1操作

(3)将a的值重新写入内存中

在单线程状态下这个操作没有一点问题,但是在多线程中就会出现各种各样的问题了。因为可能一个线程对a进行了加1操作,还没来得及写入内存,其他的线程就读取了旧值。造成了线程的不安全现象。

Volatile关键字可以保证线程间对于共享变量的可见性可有序性,可以防止CPU的指令重排序(DCL单例),但是无法保证操作的原子性,所以jdk1.5之后引入CAS利用CPU原语保证线程操作的院子性。

CAS操作由处理器提供支持,是一种原语。原语是操作系统或计算机网络用语范畴。是由若干条指令组成的,用于完成一定功能的一个过程,具有不可分割性,即原语的执行必须是连续的,在执行过程中不允许被中断。如 Intel 处理器,比较并交换通过指令的 cmpxchg 系列实现。

三、CAS(compareAndSwap)的原理探究

CAS的实现主要在JUC中的atomic包,我们以AtomicInteger类为例:

 技术图片

 通过代码追溯,可以看出JAVA中的CAS操作都是通过sun包下Unsafe类实现,而Unsafe类中的方法都是native方法,由JVM本地实现,所以最终的实现是基于C、C++在操作系统之上操作

技术图片

Unsafe类,在sun.misc包下,不属于Java标准。Unsafe类提供一系列增加Java语言能力的操作,如内存管理、操作类/对象/变量、多线程同步等


//var1为CAS操作的对象,offset为var1某个属性的地址偏移值,expected为期望值,var2为要设置的值,利用JNI来完成CPU指令的操作
public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);
public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);
public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);
Hotspot源码中关于unsafe的实现
hotspot\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);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); return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e; UNSAFE_END

\hotspot\src\share\vm\runtime\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"); return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest, (jint)compare_value); }
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

可以看到调用了“Atomic::cmpxchg”方法,“Atomic::cmpxchg”方法在linux_x86和windows_x86的实现如下

linux_x86底层实现
\hotspot\src\os_cpu\linux_x86\vm\atomic_linux_x86.inline.hpp 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; }
windows_x86底层实现
hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vmatomic_linux_x86.inline.hpp
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
  }
}
总结:根据资料查询,其实CAS底层实现根据不同的操作系统会有不同重载,CAS的实现离不开处理器的支持。
核心代码就是一条带lock 前缀的 cmpxchg 指令,即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx
Atomic::cmpxchg方法解析:
mp是“os::is_MP()”的返回结果,“os::is_MP()”是一个内联函数,用来判断当前系统是否为多处理器。
如果当前系统是多处理器,该函数返回1。
否则,返回0。
LOCK_IF_MP(mp)会根据mp的值来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。
如果通过mp判断当前系统是多处理器(即mp值为1),则为cmpxchg指令添加lock前缀。
否则,不加lock前缀。
这是一种优化手段,认为单处理器的环境没有必要添加lock前缀,只有在多核情况下才会添加lock前缀,因为lock会导致性能下降。cmpxchg是汇编指令,作用是比较并交换操作数。

四、CAS机制的优缺点

4.1 优点

cas是一种乐观锁,而且是一种非阻塞的轻量级的乐观锁,什么是非阻塞式的呢?其实就是一个线程想要获得锁,对方会给一个回应表示这个锁能不能获得。在资源竞争不激烈的情况下性能高,相比synchronized重量锁,synchronized会进行比较复杂的加锁,解锁和唤醒操作

4.2 缺点

1)循环时间长开销大,占用CPU资源

2)只能保证一个共享变量的原子操作

3)ABA问题

4.3 解决ABA问题

1)添加版本号

2)AtomicStampedReference

java并发包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类“AtomicStampedReference”,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。因此,在使用CAS前要考虑清楚“ABA”问题是否会影响程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,改用传统的互斥同步可能会比原子类更高效。

五、CAS使用的时机

5.1 线程数较少、等待时间短可以采用自旋锁进行CAS尝试拿锁,较于synchronized高效

5.2 线程数较大、等待时间长,不建议使用自旋锁,占用CPU较高

Java中CAS底层实现原理分析

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原文地址:https://www.cnblogs.com/vincentYw/p/12168107.html

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