介紹Java CAS 原理分析
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1、簡介
CAS 全稱是 compare and swap，是一種用於在多執行緒環境下實現同步功能的機制。CAS 操作包含三個運算元 -- 記憶體位置、預期數值和新值。CAS 的實現邏輯是將記憶體位置處的數值與預期數值想比較，若相等，則將記憶體位置處的值替換為新值。若不相等，則不做任何操作。
在 Java 中，Java 並沒有直接實現 CAS，CAS 相關的實現是通過 C++ 內聯組合的形式實現的。Java 程式碼需通過 JNI 才能呼叫。關於實現上的細節，我將會在第3章進行分析。
前面說了 CAS 操作的流程，並不是很難。但僅有上面的說明還不夠，接下來我將會再介紹一點其他的背景知識。有這些背景知識，才能更好的理解後續的內容。
2.背景介紹
我們都知道，CPU 是通過匯流排和記憶體進行資料傳輸的。在多核心時代下，多個核心通過同一條匯流排和記憶體以及其他硬體進行通訊。如下圖：
圖片出處：《深入理解計算機系統》
上圖是一個較為簡單的計算機結構圖，雖然簡單，但足以說明問題。在上圖中，CPU 通過兩個藍色箭頭標註的匯流排與記憶體進行通訊。大家考慮一個問題，CPU 的多個核心同時對同一片記憶體進行操作，若不加以控制，會導致什麼樣的錯誤？這裡簡單說明一下，假設核心1經32位元頻寬的匯流排向記憶體寫入64位元的資料，核心1要進行兩次寫入才能完成整個操作。若在核心1第一次寫入32位元的資料後，核心2從核心1寫入的記憶體位置讀取了64位元資料。由於核心1還未完全將64位元的資料全部寫入記憶體中，核心2就開始從該記憶體位置讀取資料，那麼讀取出來的資料必定是混亂的。
不過對於這個問題，實際上不用擔心。通過 Intel 開發人員手冊，我們可以瞭解到自奔騰處理器開始，Intel 處理器會保證以原子的方式讀寫按64位元邊界對齊的四字（quadword）。
根據上面的說明，我們可總結出，Intel 處理器可以保證單次存取記憶體對齊的指令以原子的方式執行。但如果是兩次訪存的指令呢？答案是無法保證。比如遞增指令inc dword ptr [...]，等價於DEST = DEST + 1。該指令包含三個操作讀->改->寫，涉及兩次訪存。考慮這樣一種情況，在記憶體指定位置處，存放了一個為1的數值。現在 CPU 兩個核心同時執行該條指令。兩個核心交替執行的流程如下：
- 核心1 從記憶體指定位置出讀取數值1，並載入到暫存器中
- 核心2 從記憶體指定位置出讀取數值1，並載入到暫存器中
- 核心1 將暫存器中值遞減1
- 核心2 將暫存器中值遞減1
- 核心1 將修改後的值寫回記憶體
- 核心2 將修改後的值寫回記憶體
經過執行上述流程，記憶體中的最終值時2，而我們期待的是3，這就出問題了。要處理這個問題，就要避免兩個或多個核心同時操作同一片記憶體區域。那麼怎樣避免呢？這就要引入本文的主角 - lock 字首。關於該指令的詳細描述，可以參考 Intel 開發人員手冊 Volume 2 Instruction Set Reference，Chapter 3 Instruction Set Reference A-L。我這裡參照其中的一段，如下：
LOCK—Assert LOCK# Signal Prefix
Causes the processor’s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal ensures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.
上面描述的重點已經用黑體標出了，在多處理器環境下，LOCK# 訊號可以確保處理器獨佔使用某些共用記憶體。lock 可以被新增在下面的指令前：
ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, CMPXCHG16B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG.
通過在 inc 指令前新增 lock 字首，即可讓該指令具備原子性。多個核心同時執行同一條 inc 指令時，會以序列的方式進行，也就避免了上面所說的那種情況。那麼這裡還有一個問題，lock 字首是怎樣保證核心獨佔某片記憶體區域的呢？答案如下：
在 Intel 處理器中，有兩種方式保證處理器的某個核心獨佔某片記憶體區域。第一種方式是通過鎖定匯流排，讓某個核心獨佔使用匯流排，但這樣代價太大。匯流排被鎖定後，其他核心就不能存取記憶體了，可能會導致其他核心短時內停止工作。第二種方式是鎖定快取，若某處記憶體資料被快取在處理器快取中。處理器發出的 LOCK# 訊號不會鎖定匯流排，而是鎖定快取行對應的記憶體區域。其他處理器在這片記憶體區域鎖定期間，無法對這片記憶體區域進行相關操作。相對於鎖定匯流排，鎖定快取的代價明顯比較小。關於匯流排鎖和快取鎖，更詳細的描述請參考 Intel 開發人員手冊 Volume 3 Software Developer’s Manual，Chapter 8 Multiple-Processor Management。
3.原始碼分析
有了上面的背景知識，現在我們就可以從容不迫的閱讀 CAS 的原始碼了。本章的內容將對 java.util.concurrent.atomic 包下的原子類 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法進行分析，相關分析如下：
public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
// setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
// 計算變數 value 在類物件中的偏移
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
/*
* compareAndSet 實際上只是一個殼子，主要的邏輯封裝在 Unsafe 的
* compareAndSwapInt 方法中
*/
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// ......
}
public final class Unsafe {
// compareAndSwapInt 是 native 型別的方法，繼續往下看
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
// ......
}// unsafe.cpp
/*
* 這個看起來好像不像一個函數，不過不用擔心，不是重點。UNSAFE_ENTRY 和 UNSAFE_END 都是宏，
* 在預編譯期間會被替換成真正的程式碼。下面的 jboolean、jlong 和 jint 等是一些型別定義（typedef）：
*
* jni.h
* typedef unsigned char jboolean;
* typedef unsigned short jchar;
* typedef short jshort;
* typedef float jfloat;
* typedef double jdouble;
*
* jni_md.h
* typedef int jint;
* #ifdef _LP64 // 64-bit
* typedef long jlong;
* #else
* typedef long long jlong;
* #endif
* typedef signed char jbyte;
*/
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);
// 根據偏移量，計算 value 的地址。這裡的 offset 就是 AtomaicInteger 中的 valueOffset
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// 呼叫 Atomic 中的函數 cmpxchg，該函數宣告於 Atomic.hpp 中
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
// 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");
/*
* 根據作業系統型別呼叫不同平臺下的過載函數，這個在預編譯期間編譯器會決定呼叫哪個平臺下的過載
* 函數。相關的預編譯邏輯如下：
*
* atomic.inline.hpp：
* #include "runtime/atomic.hpp"
*
* // Linux
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86
* # include "atomic_linux_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* // 省略部分程式碼
*
* // Windows
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_windows_x86
* # include "atomic_windows_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* // BSD
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_x86
* # include "atomic_bsd_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* 接下來分析 atomic_windows_x86.inline.hpp 中的 cmpxchg 函數實現
*/
return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
(jint)compare_value);
}上面的分析看起來比較多，不過主流程並不複雜。如果不糾結於程式碼細節，還是比較容易看懂的。接下來，我會分析 Windows 平臺下的 Atomic::cmpxchg 函數。繼續往下看吧。
// atomic_windows_x86.inline.hpp
#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
}
}上面的程式碼由 LOCK_IF_MP 預編譯識別符號和 cmpxchg 函陣列成。為了看到更清楚一些，我們將 cmpxchg 函數中的 LOCK_IF_MP 替換為實際內容。如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
// 判斷是否是多核 CPU
int mp = os::is_MP();
__asm {
// 將引數值放入暫存器中
mov edx, dest // 注意: dest 是指標型別，這裡是把記憶體地址存入 edx 暫存器中
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
// LOCK_IF_MP
cmp mp, 0
/*
* 如果 mp = 0，表明是執行緒執行在單核 CPU 環境下。此時 je 會跳轉到 L0 標記處，
* 也就是越過 _emit 0xF0 指令，直接執行 cmpxchg 指令。也就是不在下面的 cmpxchg 指令
* 前加 lock 字首。
*/
je L0
/*
* 0xF0 是 lock 字首的機器碼，這裡沒有使用 lock，而是直接使用了機器碼的形式。至於這樣做的
* 原因可以參考知乎的一個回答：
* https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923
*/
_emit 0xF0
L0:
/*
* 比較並交換。簡單解釋一下下面這條指令，熟悉組合的朋友可以略過下面的解釋:
* cmpxchg: 即「比較並交換」指令
* dword: 全稱是 double word，在 x86/x64 體系中，一個
* word = 2 byte，dword = 4 byte = 32 bit
* ptr: 全稱是 pointer，與前面的 dword 連起來使用，表明存取的記憶體單元是一個雙字單元
* [edx]: [...] 表示一個記憶體單元，edx 是暫存器，dest 指標值存放在 edx 中。
* 那麼 [edx] 表示記憶體地址為 dest 的記憶體單元
*
* 這一條指令的意思就是，將 eax 暫存器中的值（compare_value）與 [edx] 雙字記憶體單元中的值
* 進行對比，如果相同，則將 ecx 暫存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 記憶體單元中。
*/
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}到這裡 CAS 的實現過程就講完了，CAS 的實現離不開處理器的支援。以上這麼多程式碼，其實核心程式碼就是一條帶lock 字首的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx。
4.ABA 問題
談到 CAS，基本上都要談一下 CAS 的 ABA 問題。CAS 由三個步驟組成，分別是「讀取->比較->寫回」。考慮這樣一種情況，執行緒1和執行緒2同時執行 CAS 邏輯，兩個執行緒的執行順序如下：
- 時刻1：執行緒1執行讀取操作，獲取原值 A，然後執行緒被切換走
- 時刻2：執行緒2執行完成 CAS 操作將原值由 A 修改為 B
- 時刻3：執行緒2再次執行 CAS 操作，並將原值由 B 修改為 A
- 時刻4：執行緒1恢復執行，將比較值（compareValue）與原值（oldValue）進行比較，發現兩個值相等。然後用新值（newValue）寫入記憶體中，完成 CAS 操作
如上流程，執行緒1並不知道原值已經被修改過了，在它看來並沒什麼變化，所以它會繼續往下執行流程。對於 ABA 問題，通常的處理措施是對每一次 CAS 操作設定版本號。java.util.concurrent.atomic 包下提供了一個可處理 ABA 問題的原子類 AtomicStampedReference，具體的實現這裡就不分析了，有興趣的朋友可以自己去看看。
5.總結
寫到這裡，這篇文章總算接近尾聲了。雖然 CAS 本身的原理，包括實現都不是很難，但是寫起來真的不太好寫。這裡面涉及到了一些底層的知識，雖然能看懂，但想說明白，還是有點難度的。由於我底層的知識比較欠缺，上面的一些分析難免會出錯。所以如有錯誤，請輕噴，當然最好能說明怎麼錯的，感謝。
好了，本篇文章就到這裡。感謝閱讀，再見。
附錄
在前面原始碼分析一節中用到的幾個檔案，這裡把路徑貼出來。有助於大家進行索引，如下：
| 檔名 | 路徑 |
|---|---|
| Unsafe.java | openjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java |
| unsafe.cpp | openjdk/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp |
| atomic.cpp | openjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.cpp |
| atomic_windows_x86.inline.hpp | openjdk/hotspot/src/os_cpu/windows_x86/vm/atomic_windows_x86.inline.hpp |
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