Java原子类实现原理分析

た入场券 2022-05-29 03:57 217阅读 0赞

原子类来自于java.util.concurrent包，而java.util.concurrent包完全建立在CAS之上的，没有CAS就不会有此包。可见CAS的重要性。

## 什么是CAS ##

Compare and Swap, 翻译成比较并交换。  
java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。

CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

## 原子类的操作 ##

现代的CPU提供了特殊的指令，可以自动更新共享数据，而且能够检测到其他线程的干扰，而 compareAndSet() 就用这些代替了锁定。  
拿出AtomicInteger来研究在没有锁的情况下是如何做到数据正确性的。

private volatile int value;

首先毫无疑问，在没有锁的机制下可能需要借助volatile原语，保证线程间的数据是可见的（共享的）。  
这样才获取变量的值的时候才能直接读取。

public final int get() {
        return value;
    }

然后来看看++i是怎么做到的。

public final int incrementAndGet() {
        for (;;) {
            int current = get();
            int next = current + 1;
            if (compareAndSet(current, next))
                return next;
        }
    }

在这里采用了CAS操作，每次从内存中读取数据然后将此数据和+1后的结果进行CAS操作，如果成功就返回结果，否则重试直到成功为止。  
而compareAndSet利用JNI来完成CPU指令的操作。

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   
        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

整体的过程就是这样子的，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。  
其中compareAndSwapInt方法如下：

unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    类似：
    if (this == expect) {
      this = update
     return true;
    } else {
    return false;
    }

那么问题就来了，成功过程中需要2个步骤：比较this == expect，替换this = update，compareAndSwapInt如何这两个步骤的原子性呢？

## CAS原理 ##

CAS通过调用JNI的代码实现的。Java Native Interface为JAVA本地调用，允许java调用其他语言。而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。  
下面从分析比较常用的CPU（intel x86）来解释CAS的实现原理。  
下面是sun.misc.Unsafe类的compareAndSwapInt()方法的源代码：

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                                  int expected,
                                                  int x);

可以看到这是个本地方法调用。这个本地方法在openjdk中依次调用的c++代码为：unsafe.cpp，atomic.cpp和atomicwindowsx86.inline.hpp。这个本地方法的最终实现在openjdk的如下位置：openjdk-7-fcs-src-b147-27jun2011\\openjdk\\hotspot\\src\\oscpu\\windowsx86\\vm\\ atomicwindowsx86.inline.hpp（对应于windows操作系统，X86处理器）。下面是对应于intel x86处理器的源代码的片段：

// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine // VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line // so we can't insert a label after the lock prefix. // By emitting a lock prefix, we can define a label after it. #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
      }
    }

如上面源代码所示，程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行，就为cmpxchg指令加上lock前缀（lock cmpxchg）。反之，如果程序是在单处理器上运行，就省略lock前缀（单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性，不需要lock前缀提供的内存屏障效果）。

intel的手册对lock前缀的说明如下：

1.  确保对内存的读-改-写操作原子执行。在Pentium及Pentium之前的处理器中，带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线，使得其他处理器暂时无法通过总线访问内存。很显然，这会带来昂贵的开销。从Pentium 4，Intel Xeon及P6处理器开始，intel在原有总线锁的基础上做了一个很有意义的优化：如果要访问的内存区域（area of memory）在lock前缀指令执行期间已经在处理器内部的缓存中被锁定（即包含该内存区域的缓存行当前处于独占或以修改状态），并且该内存区域被完全包含在单个缓存行（cache line）中，那么处理器将直接执行该指令。由于在指令执行期间该缓存行会一直被锁定，其它处理器无法读/写该指令要访问的内存区域，因此能保证指令执行的原子性。这个操作过程叫做缓存锁定（cache locking），缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销，但是当多处理器之间的竞争程度很高或者指令访问的内存地址未对齐时，仍然会锁住总线。
2.  禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
3.  把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。

由此可见，cas也是上了锁，只不过是基于硬件CPU的锁，不同的CPU，算法也是不一样的。

关于CPU的锁有如下3种：

1.  关于CPU的锁有如下3种：
2.  使用总线锁保证原子性
3.  使用缓存锁保证原子性