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高并发编程-CAS深入解析

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JAVA

CAS(Compare and swap)直译过来就是比较和替换,是一种通过硬件实现并发安全的常用技术,底层通过利用CPU的CAS指令对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。仔细观察J.U.C包中类的实现代码,会发现这些类中大量使用到了CAS,所以CAS是Java并发包的实现基础。它的实现过程是,有3个操作数,内存值V,旧的预期值E,要修改的新值U,当且仅当预期值E和内存值V相同时,才将内存值V修改为U,否则什么都不做。

CAS底层实现原理

下面以AtomicInteger为入口来看一下CAS的底层实现原理。AtomicInteger可以用原子方式更新其int类型的属性值value。其中,incrementAndGet方法以原子方式将当前值加1,并返回最新值,具体代码如下。

    public final int incrementAndGet() {        for (;;) {            int current = get();            int next = current + 1;            if (compareAndSet(current, next))                return next;
        }
    }    public final int get() {        return value;
    }    public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

上面的代码中有一个旧的期望值expect和将要更新的新值update。实现的关键代码就在compareAndSet方法中,可以看到这里调用了Unsafe类的compareAndSwapInt方法,进入这个方法发现使用了native修饰,也就是这里将会通过JNI调用非Java实现的代码。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

继续深入代码进行分析,就需要进入OpenJDK的源码查看c++的代码,代码跟踪顺序是:unsafe.cpp、atomic.cpp,接下来会根据操作系统和处理器的不同来选择对应的调用代码,这里以Windows和x86处理器为例进入atomic_window_x86.inline.hpp,重要代码片段如下:

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {    int mp = os::isMP();  // 判断处理器的类型是否是多处理器
    _asm {
        mov edx, dest
        mov ecx, exchange_value
        mov eax, compare_value
        LOCK_IF_MP(mp)
        cmpxchg dword ptr [edx], ecx
    }
}

从上面代码可以看到,如果是多处理器,将会为cmpxchg指令添加lock前缀,否则不添加(单处理器自身会维护执行顺序)。对于lock前缀,下面是intel手册的说明:

  • 确保对内存读改写操作的原子执行。 在Pentium及之前的处理器中,带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线,使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存,很显然,这个开销很大。在新的处理器中,Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性。缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。

  • 禁止该指令,与前面和后面的读写指令重排序。

  • 把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。

也就是说,如果是多处理器,通过带lock前缀的cmpxchg指令对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作;如果是单处理器,通过cmpxchg指令完成原子操作。

ABA问题

CAS是当且仅当旧的预期值E和内存值V相同时,才将内存值V修改为U,也就是如果内存值V没有发生变化则更新,但是有可能发生内存值原来是A,中间被改成B,后来又被改成A,此时再使用CAS进行检查时发现没有变化,但是实际上发生了变化,这就是ABA问题。

Java并发包下的AtomicStampedReference可以解决ABA问题,内部实现上添加了一个类似于版本号作用的stamp属性,它是被自动更新的。实现上首先检查当前引用是否等于预期引用、当前stamp是否等于预期stamp,如果全部相等,则以原子方式将该引用和该stamp的值设置为给定的更新值。



作者:JavaQ
链接:https://www.jianshu.com/p/b10969ecf1b9


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