CAS 原理深入剖析，深入内核源码的那种
本文转载自微信公众号「KK架构师」，作者wangkai。转载本文请联系KK架构师公众号。 一、CAS 简介 CAS 的意思是 compare and swap，比较并交换。 CAS 的示意图如下： 比如一个很简单的操作，把变量 A = 2 加 1，结果为 3. 则先读取 A 的当前值 E 为 2，在内存计算结果 V 为 3，比较之前读出来的 A 的当前值 2 和 最新值，如果最新值为 2 ，表示这个值没有被别人改过，则放心的把最终的值更新为 3. 有一种情况是，在你更新结果之前，其他有个线程在中途把 A 更新成了 5 ，又更新回了 2。但是在当前线程看起来，没有被改过。这就是 ABA 问题。 二、CAS 的实现 在 java 中，原子类都是用 cas 来实现的，我们可以看一看源码。 publicfinalintgetAndIncrement(){ returnunsafe.getAndAddInt(this,valueOffset,1); } 发现是调用了 unsafe 类的 getAndAddInt，继续看这个方法： publicfinalintgetAndAddInt(Objectvar1,longvar2,intvar4){ intvar5; do{ var5=this.getIntVolatile(var1,var2); }while(!this.compareAndSwapInt(var1,var2,var5,var5+var4)); returnvar5; } 这里是一个 while 循环，直到比较成功，来看一下这个 compareAndSwapInt 方法 publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(Objectvar1,longvar2,intvar4,intvar5); 发现这是一个 native 方法，意味着是 c 或者 c++ 写的虚拟机的实现。 在网上找到了 HotSpot 虚拟机的源码，找了一些资料发现了这个 compareAndSwapInt 的 c++ 代码： 在 unsafe.cpp 这个文件的 Unsafe_CompareAndSwapInt 这个方法里 发现最终调用的是 Atomic:: cmpxchg 方法，我们再找到 atomic_linux_x86.inline.hpp 这个文件 其中有一句 LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)" LOCK_IF_MP 是一个宏，这个宏的定义是： mp 的意思是 multi processor，意思是在多核 cpu 上，要锁一下这个指令。 到这里，结论是，最终调用了一条汇编指令：lock cmpxchg 指令，来实现底层 cas 的。 也就是 cpu 中有一条 cmpxchg 指令。 但是这条指令不是原子的，也就是拿出来和比较是两个操作，中间有可能被别人打断。 所以需要在这个过程加上 lock，意思是，我在对这个内存操作的过程中，不允许被别人打断。 可以简单理解为把内存总线锁住，别人不允许修改这块内存。 三、ABA 问题的解决 很简单，可以在数据上加上版本号即可，改了一次就新增一个版本号。 在 Java 中，可以使用 AtomicStampedReference 来解决这个问题 importjava.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; importjava.util.concurrent.atomic.AtomicStampedReference; publicclassABASingle{ publicstaticvoidmain(String[]args){ AtomicIntegeratomicInt=newAtomicInteger(100); atomicInt.compareAndSet(100,101); atomicInt.compareAndSet(101,100); System.out.println("newvalue="+atomicInt.get()); booleanresult1=atomicInt.compareAndSet(100,101); System.out.println(result1);//result:true AtomicIntegerv1=newAtomicInteger(100); AtomicIntegerv2=newAtomicInteger(101); AtomicStampedReference<AtomicInteger>stampedRef=newAtomicStampedReference<AtomicInteger>( v1,0); intstamp=stampedRef.getStamp(); stampedRef.compareAndSet(v1,v2,stampedRef.getStamp(), stampedRef.getStamp()+1); stampedRef.compareAndSet(v2,v1,stampedRef.getStamp(), stampedRef.getStamp()+1); System.out.println("newvalue="+stampedRef.getReference()); booleanresult2=stampedRef.compareAndSet(v1,v2,stamp,stamp+1); System.out.println(result2);//result:false } }
