Java CAS底层实现原理实例详解
这篇文章主要介绍了JavaCAS底层实现原理实例详解,文中通过示例代码介绍的非常详细，对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值,需要的朋友可以参考下
一、CAS（compareAndSwap）的概念
CAS，全称CompareAndSwap（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。
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：
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
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 publicfinalnativebooleancompareAndSwapObject(Objectvar1,longvar2,Objectvar4,Objectvar5); publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(Objectvar1,longvar2,intvar4,intvar5); publicfinalnativebooleancompareAndSwapLong(Objectvar1,longvar2,longvar4,longvar6); publicnativeObjectgetObjectVolatile(Objectvar1,longvar2); publicnativevoidputObjectVolatile(Objectvar1,longvar2,Objectvar4);
Hotspot源码中关于unsafe的实现hotspot\src\share\vm\prims\unsafe.cpp
UNSAFE_ENTRY(jboolean,Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv*env,jobjectunsafe,jobjectobj,jlongoffset,jinte,jintx))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oopp=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.cppunsignedAtomic::cmpxchg(unsignedintexchange_value,
volatileunsignedint*dest,unsignedintcompare_value){
assert(sizeof(unsignedint)==sizeof(jint),"moreworktodo");
return(unsignedint)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value,(volatilejint*)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
inlinejintAtomic::cmpxchg(jintexchange_value,volatilejint*dest,jintcompare_value){
intmp=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");
returnexchange_value;
}
windows_x86底层实现
hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vmatomic_linux_x86.inline.hpp
inlinejintAtomic::cmpxchg(jintexchange_value,volatilejint*dest,jintcompare_value){
//alternativeforInterlockedCompareExchange
intmp=os::is_MP();
__asm{
movedx,dest
movecx,exchange_value
moveax,compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchgdwordptr[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lockcmpxchgdwordptr[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
以上就是本文的全部内容，希望对大家的学习有所帮助，也希望大家多多支持毛票票。
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