Java CAS 原理分析

1.简介

CAS 全称是 compare and swap,是一种用于在多线程环境下实现同步功能的机制。CAS 操作包含三个操作数 – 内存位置、预期数值和新值。CAS 的实现逻辑是将内存位置处的数值与预期数值想比较,若相等,则将内存位置处的值替换为新值。若不相等,则不做任何操作。

在 Java 中,Java 并没有直接实现 CAS,CAS 相关的实现是通过 C++ 内联汇编的形式实现的。Java 代码需通过 JNI 才能调用。关于实现上的细节,我将会在第3章进行分析。

前面说了 CAS 操作的流程,并不是很难。但仅有上面的说明还不够,接下来我将会再介绍一点其他的背景知识。有这些背景知识,才能更好的理解后续的内容。

2.背景介绍

我们都知道,CPU 是通过总线和内存进行数据传输的。在多核心时代下,多个核心通过同一条总线和内存以及其他硬件进行通信。如下图:


图片出处:《深入理解计算机系统》

上图是一个较为简单的计算机结构图,虽然简单,但足以说明问题。在上图中,CPU 通过两个蓝色箭头标注的总线与内存进行通信。大家考虑一个问题,CPU 的多个核心同时对同一片内存进行操作,若不加以控制,会导致什么样的错误?这里简单说明一下,假设核心1经32位带宽的总线向内存写入64位的数据,核心1要进行两次写入才能完成整个操作。若在核心1第一次写入32位的数据后,核心2从核心1写入的内存位置读取了64位数据。由于核心1还未完全将64位的数据全部写入内存中,核心2就开始从该内存位置读取数据,那么读取出来的数据必定是混乱的。

不过对于这个问题,实际上不用担心。通过 Intel 开发人员手册,我们可以了解到自奔腾处理器开始,Intel 处理器会保证以原子的方式读写按64位边界对齐的四字(quadword)。

根据上面的说明,我们可总结出,Intel 处理器可以保证单次访问内存对齐的指令以原子的方式执行。但如果是两次访存的指令呢?答案是无法保证。比如递增指令inc dword ptr [...],等价于DEST = DEST + 1。该指令包含三个操作读->改->写,涉及两次访存。考虑这样一种情况,在内存指定位置处,存放了一个为1的数值。现在 CPU 两个核心同时执行该条指令。两个核心交替执行的流程如下:

  1. 核心1 从内存指定位置出读取数值1,并加载到寄存器中
  2. 核心2 从内存指定位置出读取数值1,并加载到寄存器中
  3. 核心1 将寄存器中值递减1
  4. 核心2 将寄存器中值递减1
  5. 核心1 将修改后的值写回内存
  6. 核心2 将修改后的值写回内存

经过执行上述流程,内存中的最终值时2,而我们期待的是3,这就出问题了。要处理这个问题,就要避免两个或多个核心同时操作同一片内存区域。那么怎样避免呢?这就要引入本文的主角 - lock 前缀。关于该指令的详细描述,可以参考 Intel 开发人员手册 Volume 2 Instruction Set Reference,Chapter 3 Instruction Set Reference A-L。我这里引用其中的一段,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.

上面描述的重点已经用黑体标出了,在多处理器环境下,LOCK# 信号可以确保处理器独占使用某些共享内存。lock 可以被添加在下面的指令前:

ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, CMPXCHG16B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG.

通过在 inc 指令前添加 lock 前缀,即可让该指令具备原子性。多个核心同时执行同一条 inc 指令时,会以串行的方式进行,也就避免了上面所说的那种情况。那么这里还有一个问题,lock 前缀是怎样保证核心独占某片内存区域的呢?答案如下:

在 Intel 处理器中,有两种方式保证处理器的某个核心独占某片内存区域。第一种方式是通过锁定总线,让某个核心独占使用总线,但这样代价太大。总线被锁定后,其他核心就不能访问内存了,可能会导致其他核心短时内停止工作。第二种方式是锁定缓存,若某处内存数据被缓存在处理器缓存中。处理器发出的 LOCK# 信号不会锁定总线,而是锁定缓存行对应的内存区域。其他处理器在这片内存区域锁定期间,无法对这片内存区域进行相关操作。相对于锁定总线,锁定缓存的代价明显比较小。关于总线锁和缓存锁,更详细的描述请参考 Intel 开发人员手册 Volume 3 Software Developer’s Manual,Chapter 8 Multiple-Processor Management。

3.源码分析

有了上面的背景知识,现在我们就可以从容不迫的阅读 CAS 的源码了。本章的内容将对 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法进行分析,相关分析如下:

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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 {
// 计算变量 value 在类对象中的偏移
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 实际上只是一个壳子,主要的逻辑封装在 Unsafe 的
* compareAndSwapInt 方法中
*/
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

// ......
}

public final class Unsafe {
// compareAndSwapInt 是 native 类型的方法,继续往下看
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
int expected,
int x);
// ......
}
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// unsafe.cpp
/*
* 这个看起来好像不像一个函数,不过不用担心,不是重点。UNSAFE_ENTRY 和 UNSAFE_END 都是宏,
* 在预编译期间会被替换成真正的代码。下面的 jboolean、jlong 和 jint 等一些类型也都是宏:
*
* 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);
// 调用 Atomic 中的函数 cmpxchg,该函数声明于 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
* 函数。相关的预编译逻辑如下:
*
* atomic.inline.hpp:
* #include "runtime/atomic.hpp"
*
* // Linux
* #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86
* # include "atomic_linux_x86.inline.hpp"
* #endif
*
* // 省略部分代码
*
* // 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
*
* 接下来分析 atomic_windows_x86.inline.hpp 中的 cmpxchg 函数实现
*/
return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
(jint)compare_value);
}

上面的分析看起来比较多,不过主流程并不复杂。如果不纠结于代码细节,还是比较容易看懂的。接下来,我会分析 Windows 平台下的 Atomic::cmpxchg 函数。继续往下看吧。

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// 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
}
}

上面的代码由 LOCK_IF_MP 预编译标识符和 cmpxchg 函数组成。为了看到更清楚一些,我们将 cmpxchg 函数中的 LOCK_IF_MP 替换为实际内容。如下:

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inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
// 判断是否是多核 CPU
int mp = os::is_MP();
__asm {
// 将参数值放入寄存器中
mov edx, dest // 注意: dest 是指针类型,这里是把内存地址存入 edx 寄存器中
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value

// LOCK_IF_MP
cmp mp, 0
/*
* 如果 mp = 0,表明是线程运行在单核 CPU 环境下。此时 je 会跳转到 L0 标记处,
* 也就是越过 _emit 0xF0 指令,直接执行 cmpxchg 指令。也就是不在下面的 cmpxchg 指令
* 前加 lock 前缀。
*/
je L0
/*
* 0xF0 是 lock 前缀的机器码,这里没有使用 lock,而是直接使用了机器码的形式。至于这样做的
* 原因可以参考知乎的一个回答:
* https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923
*/
_emit 0xF0
L0:
/*
* 比较并交换。简单解释一下下面这条指令,熟悉汇编的朋友可以略过下面的解释:
* cmpxchg: 即“比较并交换”指令
* dword: 全称是 double word,在 x86/x64 体系中,一个
* word = 2 byte,dword = 4 byte = 32 bit
* ptr: 全称是 pointer,与前面的 dword 连起来使用,表明访问的内存单元是一个双字单元
* [edx]: [...] 表示一个内存单元,edx 是寄存器,dest 指针值存放在 edx 中。
* 那么 [edx] 表示内存地址为 dest 的内存单元
*
* 这一条指令的意思就是,将 eax 寄存器中的值(compare_value)与 [edx] 双字内存单元中的值
* 进行对比,如果相同,则将 ecx 寄存器中的值(exchange_value)存入 [edx] 内存单元中。
*/
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}

到这里 CAS 的实现过程就讲完了,CAS 的实现离不开处理器的支持。以上这么多代码,其实核心代码就是一条带lock 前缀的 cmpxchg 指令,即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx

4.ABA 问题

谈到 CAS,基本上都要谈一下 CAS 的 ABA 问题。CAS 由三个步骤组成,分别是“读取->比较->写回”。考虑这样一种情况,线程1和线程2同时执行 CAS 逻辑,两个线程的执行顺序如下:

  1. 时刻1:线程1执行读取操作,获取原值 A,然后线程被切换走
  2. 时刻2:线程2执行完成 CAS 操作将原值由 A 修改为 B
  3. 时刻3:线程2再次执行 CAS 操作,并将原值由 B 修改为 A
  4. 时刻4:线程1恢复运行,将比较值(compareValue)与原值(oldValue)进行比较,发现两个值相等。
    然后用新值(newValue)写入内存中,完成 CAS 操作

如上流程,线程1并不知道原值已经被修改过了,在它看来并没什么变化,所以它会继续往下执行流程。对于 ABA 问题,通常的处理措施是对每一次 CAS 操作设置版本号。java.util.concurrent.atomic 包下提供了一个可处理 ABA 问题的原子类 AtomicStampedReference,具体的实现这里就不分析了,有兴趣的朋友可以自己去看看。

5.总结

写到这里,这篇文章总算接近尾声了。虽然 CAS 本身的原理,包括实现都不是很难,但是写起来真的不太好写。这里面涉及到了一些底层的知识,虽然能看懂,但想说明白,还是有点难度的。由于我底层的知识比较欠缺,上面的一些分析难免会出错。所以如有错误,请轻喷,当然最好能说明怎么错的,感谢。

好了,本篇文章就到这里。感谢阅读,再见。

参考

附录

在前面源码分析一节中用到的几个文件,这里把路径贴出来。有助于大家进行索引,如下:

文件名路径
Unsafe.javaopenjdk/jdk/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java
unsafe.cppopenjdk/hotspot/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
atomic.cppopenjdk/hotspot/src/share/vm/runtime/atomic.cpp
atomic_windows_x86.inline.hppopenjdk/hotspot/src/os_cpu/windows_x86/vm/atomic_windows_x86.inline.hpp