Java并发：了解无锁CAS就从源码分析

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什么是 CAS

CAS的全称为Compare And Swap，直译就是比较交换。是一条CPU的原子指令，其作用是让CPU先进行比较两个值是否相等，然后原子地更新某个位置的值，其实现方式是基于硬件平台的汇编指令，在intel的CPU中，使用的是 cmpxchg指令，就是说CAS是靠硬件实现的，从而在硬件层面提升效率。

CSA 原理

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。 在 java.util.concurrent 下面的源码中， Atomic, ReentrantLock 都使用了Unsafe类中的方法来保证并发的安全性。

CAS操作是原子性的，所以多线程并发使用CAS更新数据时，可以不使用锁，JDK中大量使用了CAS来更新数据而防止加锁来保持原子更新。

CAS 操作包含三个操作数 ：内存偏移量位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。 如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值 。否则，处理器不做任何操作。

源码分析

下面来看一下

java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger.java， getAndIncrement()， getAndDecrement()是如何利用CAS实现原子性操作的。

AtomicInteger 源码解析

1. // 使用 unsafe 类的原子操作方式

2. private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

3. private static final long valueOffset;

4. static {

5.    try {

6.        //计算变量 value 在类对象中的偏移量

7.        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));

8.    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }

9. }

valueOffset 字段表示 "value" 内存位置，在 compareAndSwap 方法 ,第二个参数会用到.

关于偏移量图文介绍

Unsafe 调用C 语言可以通过偏移量对变量进行操作

1. //volatile变量value

2. private volatile int value;

3. /**

4. * 创建具有给定初始值的新 AtomicInteger

5. *

6. * @param initialValue 初始值

7. */

8. public AtomicInteger(int initialValue) {

9.    value = initialValue;

10. }

11. //返回当前的值

12. public final int get() {

13.    return value;

14. }

15. //原子更新为新值并返回旧值

16. public final int getAndSet(int newValue) {

17.    return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue);

18. }

19. //最终会设置成新值

20. public final void lazySet(int newValue) {

21.    unsafe.putOrderedInt(this, valueOffset, newValue);

22. }

23. //如果输入的值等于预期值，则以原子方式更新为新值

24. public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {

25.    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

26. }

1. //方法相当于原子性的 ++i

2. public final int getAndIncrement() {

3.    //三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、递增的值。

4.    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);

5. }

6. //方法相当于原子性的 --i

7. public final int getAndDecrement() {

8.    //三个参数，1、当前的实例 2、value实例变量的偏移量 3、递减的值。

9.    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);

10. }

实现逻辑封装在 Unsafe 中 getAndAddInt 方法，继续往下看， Unsafe 源码解析

Unsafe 源码解析

在JDK8中追踪可见 sun.misc.Unsafe这个类是无法看见源码的，打开 openjdk8源码看

openjdk-8-src-b132-03_mar_2014.zip

openjdk\jdk\src\share\classes\sun\misc\Unsafe.java

通常我们最好也不要使用 Unsafe类，除非有明确的目的，并且也要对它有深入的了解才行。要想使用 Unsafe类需要用一些比较 tricky的办法。Unsafe类使用了单例模式，需要通过一个静态方法 getUnsafe()来获取。但Unsafe类做了限制，如果是普通的调用的话，它会抛出一个 SecurityException异常；只有由主类加载器加载的类才能调用这个方法。

下面是 sun.misc.Unsafe.java类源码

1. //获取Unsafe实例静态方法

2. @CallerSensitive

3. public static Unsafe getUnsafe() {

4.    Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();

5.    if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))

6.        throw new SecurityException("Unsafe");

7.    return theUnsafe;

8. }

网上也有一些办法来用主类加载器加载用户代码，最简单方法是利用Java反射，方法如下：

1. private static Unsafe unsafe;

2. static {

3.    try {

4.        //通过反射获取rt.jar下的Unsafe类

5.        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

6.        field.setAccessible(true);

7.        unsafe = (Unsafe) field.get(null);

8.    } catch (Exception e) {

9.        System.out.println("Get Unsafe instance occur error" + e);

10.    }

11. }

获取到Unsafe实例之后，我们就可以为所欲为了。Unsafe类提供了以下这些功能：

https://www.cnblogs.com/pkufork/p/java_unsafe.html

1.    //native硬件级别的原子操作

2.    //类似的有compareAndSwapInt,compareAndSwapLong,compareAndSwapBoolean,compareAndSwapChar等等。

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

4.    //内部使用自旋的方式进行CAS更新（while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试）

5.    public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {

6.        int v;

7.        do {

8.            //获取对象内存地址偏移量上的数值v

9.            v = getIntVolatile(o, offset);

10.            //如果现在还是v,设置为 v + delta,否则返回false,继续循环再次重试.

11.        } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));

12.        return v;

13.    }

利用 Unsafe 类的 JNI compareAndSwapInt 方法实现，使用CAS实现一个原子操作更新，

compareAndSwapInt 四个参数：

1、当前的实例 2、实例变量的内存地址偏移量 3、预期的旧值 4、要更新的值

unsafe.cpp 深层次解析

1. // unsafe.cpp

2. /*

3. * 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，

4. * 在预编译期间会被替换成真正的代码。下面的 jboolean、jlong 和 jint 等是一些类型定义（typedef）：

5. *

6. * 省略部分内容

7. */

8. UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))

9.  UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");

10.  oop p = JNIHandles::resolve(obj);

11.  // 根据偏移量，计算 value 的地址。这里的 offset 就是 AtomaicInteger 中的 valueOffset

12.  jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);

13.  // 调用 Atomic 中的函数 cmpxchg，该函数声明于 Atomic.hpp 中

14.  return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;

15. UNSAFE_END

16. // atomic.cpp

17. unsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value, volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value) {

18.  assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");

19.  /*

20.   * 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

21.   * 函数。相关的预编译逻辑如下：

22.   *

23.   * atomic.inline.hpp：

24.   *    #include "runtime/atomic.hpp"

25.   *  

26.   *    // Linux

27.   *    #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86

28.   *    # include "atomic_linux_x86.inline.hpp"

29.   *    #endif

30.   *

31.   *    // 省略部分代码

32.   *  

33.   *    // Windows

34.   *    #ifdef TARGET_OS_ARCH_windows_x86

35.   *    # include "atomic_windows_x86.inline.hpp"

36.   *    #endif

37.   *  

38.   *    // BSD

39.   *    #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_x86

40.   *    # include "atomic_bsd_x86.inline.hpp"

41.   *    #endif

42.   *

43.   * 接下来分析 atomic_windows_x86.inline.hpp 中的 cmpxchg 函数实现

44.   */

45.  return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,

46.                                       (jint)compare_value);

47. }

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。

1. // atomic_windows_x86.inline.hpp

2. #define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0  \

3.                       __asm je L0      \

4.                       __asm _emit 0xF0 \

5.                       __asm L0:

6. inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {

7.  // alternative for InterlockedCompareExchange

8.  int mp = os::is_MP();

9.  __asm {

10.    mov edx, dest

11.    mov ecx, exchange_value

12.    mov eax, compare_value

13.    LOCK_IF_MP(mp)

14.    cmpxchg dword ptr [edx], ecx

15.  }

16. }

上面的代码由 LOCKIFMP 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 LOCKIFMP 替换为实际内容。如下：

1. inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {

2.  // 判断是否是多核 CPU

3.  int mp = os::is_MP();

4.  __asm {

5.    // 将参数值放入寄存器中

6.    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

7.    mov ecx, exchange_value

8.    mov eax, compare_value

9.    // LOCK_IF_MP

10.    cmp mp, 0

11.    /*

12.     * 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，

13.     * 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

14.     * 前加 lock 前缀。

15.     */

16.    je L0

17.    /*

18.     * 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

19.     * 原因可以参考知乎的一个回答：

20.     *     https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923

21.     */

22.    _emit 0xF0

23. L0:

24.    /*

25.     * 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:

26.     *   cmpxchg: 即“比较并交换”指令

27.     *   dword: 全称是 double word，在 x86/x64 体系中，一个

28.     *          word = 2 byte，dword = 4 byte = 32 bit

29.     *   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

30.     *   [edx]: [...] 表示一个内存单元，edx 是寄存器，dest 指针值存放在 edx 中。

31.     *          那么 [edx] 表示内存地址为 dest 的内存单元

32.     *        

33.     * 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

34.     * 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。

35.     */

36.    cmpxchg dword ptr [edx], ecx

37.  }

38. }

到这里 CAS 的实现过程就讲了，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 lockcmpxchg dword ptr[edx],ecx。

通过上述的分析，可以发现 AtomicInteger原子类的内部几乎是基于前面分析过 Unsafe类中的 CAS相关操作的方法实现的，这也同时证明 AtomicInteger getAndIncrement自增操作实现过程,是基于无锁实现的。

CAS的ABA问题及其解决方案

假设这样一种场景，当第一个线程执行CAS(V,E,U)操作。在获取到当前变量V，准备修改为新值U前，另外两个线程已连续修改了两次变量V的值，使得该值又恢复为旧值，这样的话，我们就无法正确判断这个变量是否已被修改过，如下图：

这就是典型的CAS的ABA问题，一般情况这种情况发现的概率比较小，可能发生了也不会造成什么问题，比如说我们对某个做加减法，不关心数字的过程，那么发生ABA问题也没啥关系。但是在某些情况下还是需要防止的，那么该如何解决呢？在Java中解决ABA问题，我们可以使用以下原子类

AtomicStampedReference类

AtomicStampedReference原子类是一个带有时间戳的对象引用，在每次修改后，AtomicStampedReference不仅会设置新值而且还会记录更改的时间。当AtomicStampedReference设置对象值时，对象值以及时间戳都必须满足期望值才能写入成功，这也就解决了反复读写时，无法预知值是否已被修改的窘境

底层实现为： 通过Pair私有内部类存储数据和时间戳, 并构造volatile修饰的私有实例

接着看 java.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference类的compareAndSet（）方法的实现：

1. private static class Pair<T> {

2.    final T reference;

3.    final int stamp;

4.    //最好不要重复的一个数据,决定数据是否能设置成功,时间戳会重复

5.    private Pair(T reference, int stamp) {

6.        this.reference = reference;

7.        this.stamp = stamp;

8.    }

9.    static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {

10.        return new Pair<T>(reference, stamp);

11.    }

12. }

同时对当前数据和当前时间进行比较，只有两者都相等是才会执行casPair()方法，

单从该方法的名称就可知是一个CAS方法，最终调用的还是 Unsafe类中的 compareAndSwapObject方法

到这我们就很清晰 AtomicStampedReference的内部实现思想了，

通过一个键值对 Pair存储数据和时间戳，在更新时对数据和时间戳进行比较，

只有两者都符合预期才会调用 Unsafe的 compareAndSwapObject方法执行数值和时间戳替换，也就避免了ABA的问题。

1. /**

2. * 原子更新带有版本号的引用类型。

3. * 该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更数据和数据的版本号。

4. * 可以解决使用CAS进行原子更新时，可能出现的ABA问题。

5. */

6. public class AtomicStampedReference<V> {

7.    //静态内部类Pair将对应的引用类型和版本号stamp作为它的成员

8.    private static class Pair<T> {

9.        //最好不要重复的一个数据,决定数据是否能设置成功,建议时间戳

10.        final T reference;

11.        final int stamp;

12.        private Pair(T reference, int stamp) {

13.            this.reference = reference;

14.            this.stamp = stamp;

15.        }

16.        //根据reference和stamp来生成一个Pair的实例

17.        static <T> Pair<T> of(T reference, int stamp) {

18.            return new Pair<T>(reference, stamp);

19.        }

20.    }

21.    //作为一个整体的pair变量被volatile修饰

22.    private volatile Pair<V> pair;

23.    //构造方法，参数分别是初始引用变量的值和初始版本号

24.    public AtomicStampedReference(V initialRef, int initialStamp) {

25.        pair = Pair.of(initialRef, initialStamp);

26.    }

27.    ....

28.    private static final sun.misc.Unsafe UNSAFE = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();

29.    private static final long pairOffset = objectFieldOffset(UNSAFE, "pair", AtomicStampedReference.class);

30.    //获取pair成员的偏移地址

31.    static long objectFieldOffset(sun.misc.Unsafe UNSAFE,

32.                                  String field, Class<?> klazz) {

33.        try {

34.            return UNSAFE.objectFieldOffset(klazz.getDeclaredField(field));

35.        } catch (NoSuchFieldException e) {

36.            NoSuchFieldError error = new NoSuchFieldError(field);

37.            error.initCause(e);

38.            throw error;

39.        }

40.    }

41. }

1. /**

2. * @param 期望(老的)引用

3. * @param       (新的)引用数据

4. * @param 期望(老的)标志stamp(时间戳)值

5. * @param       (新的)标志stamp(时间戳)值

6. * @return 是否成功

7. */

8. public boolean compareAndSet(V expectedReference,V   newReference,int expectedStamp,int newStamp) {

9.    Pair<V> current = pair;

10.    return

11.        // 期望(老的)引用 == 当前引用

12.        expectedReference == current.reference &&

13.        // 期望(老的)标志stamp(时间戳)值 == 当前标志stamp(时间戳)值

14.        expectedStamp == current.stamp &&

15.        // (新的)引用数据 == 当前引用数据 并且 (新的)标志stamp(时间戳)值 ==当前标志stamp(时间戳)值

16.        ((newReference == current.reference && newStamp == current.stamp) ||

17.          #原子更新值

18.         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));

19. }

20. //当引用类型的值与期望的一致的时候，原子的更改版本号为新的值。该方法只修改版本号，不修改引用变量的值，成功返回true

21. public boolean attemptStamp(V expectedReference, int newStamp) {

22.    Pair<V> current = pair;

23.    return

24.        expectedReference == current.reference &&

25.        (newStamp == current.stamp ||

26.         casPair(current, Pair.of(expectedReference, newStamp)));

27. }

28. /**

29. * CAS真正实现方法

30. */

31. private boolean casPair(Pair<V> cmp, Pair<V> val) {

32.        return UNSAFE.compareAndSwapObject(this, pairOffset, cmp, val);

33. }

期望 Paircmp（A） == 当前内存存偏移量位置 Pair（V），就更新值 Pairval（B）成功返回true 否则 false

1. public static void main(String[] args) {

2.    AtomicStampedReference<Integer> num = new AtomicStampedReference<Integer>(1, 0);

3.    Integer i = num.getReference();

4.    int stamped = num.getStamp();

5.    if (num.compareAndSet(i, i + 1, stamped, stamped + 1)) {

6.        System.out.println("测试成功");

7.    }

8. }

通过以上原子更新方法，可见 AtomicStampedReference就是利用了Unsafe的CAS方法+Volatile关键字对存储实际的引用变量和int的版本号的Pair实例进行更新，实现解决CAS使用中的ABA问题。

参考：

https://www.cnblogs.com/nullllun/p/9039049.html

https://blog.csdn.net/a67474506/article/details/48310515

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