浅析CompareAndSet(CAS)
最近无意接触了AtomicInteger类compareAndSet(从JDK5开始),搜了搜相关资料,整理了一下
首先要说一下,AtomicInteger类compareAndSet通过原子操作实现了CAS操作,最底层基于汇编语言实现。
简单说一下原子操作的概念,“原子”代表最小的单位,所以原子操作可以看做最小的执行单位,该操作在执行完毕前不会被任何其他任务或事件打断。
CAS是Compare And Set的一个简称,如下理解:
1,已知当前内存里面的值current和预期要修改成的值new传入
2,内存中AtomicInteger对象地址对应的真实值(因为有可能别修改)real与current对比,
相等表示real未被修改过,是“安全”的,将new赋给real结束然后返回;不相等说明real已经被修改,结束并重新执行1直到修改成功
CAS相比Synchronized,避免了锁的使用,总体性能比Synchronized高很多.
compareAndSet典型使用为计数,如i++,++i,这里以i++为例:
/**
* Atomically increments by one the current value.
*
* @return the updated value
*/
public final int incrementAndGet() {
for (;;) {
//获取当前值
int current = get();
//设置期望值
int next = current + 1;
//调用Native方法compareAndSet,执行CAS操作
if (compareAndSet(current, next))
//成功后才会返回期望值,否则无线循环
return next;
}
}
compareAndSet方法实现:
JDK文档对该方法的说明如下:如果当前状态值等于预期值,则以原子方式将同步状态设置为给定的更新值。
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
这里解释一下valueOffset变量,首先valueOffset的初始化在static静态代码块里面,代表相对起始内存地址的字节相对偏移量:
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
在生成一个AtomicInteger对象后,可以看做生成了一段内存,对象中各个字段按一定顺序放在这段内存中,字段可能不是连续放置的,
unsafe.objectFieldOffset(Field f)这个方法准确地告诉我"value"字段相对于AtomicInteger对象的起始内存地址的字节相对偏移量。
private volatile int value; /**
* Creates a new AtomicInteger with the given initial value.
*
* @param initialValue the initial value
*/
public AtomicInteger(int initialValue) {
value = initialValue;
} /**
* Creates a new AtomicInteger with initial value {@code 0}.
*/
public AtomicInteger() {
}
value是一个volatile变量,不同线程对这个变量进行操作时具有可见性,修改与写入操作都会存入主存中,并通知其他cpu中该变量缓存行无效,保证了每次读取都是最新的值
找到sun.misc.Unsafe.java:
/**
* Atomically update Java variable to <tt>x</tt> if it is currently
* holding <tt>expected</tt>.
* @return <tt>true</tt> if successful
*/
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);
继续查找unsafe.cpp,(http://hg.openjdk.java.net/jdk7/jdk7/hotspot/file/9b0ca45cd756/src/share/vm/prims/unsafe.cpp):
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);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
实现主要方法为Atomic::cmpxchg , 这个本地方法的最终实现在openjdk的如下位置:openjdk-7-fcs-src-b147-27jun2011\openjdk\hotspot\src\oscpu\windowsx86\vm\ atomicwindowsx86.inline.hpp(对应于windows操作系统,X86处理器)
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#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
}
}
如上面源代码所示,用嵌入的汇编实现的, CPU指令是 cmpxchg,程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行,就为cmpxchg指令加上lock前缀(lock cmpxchg).反之,如果程序是在单处理器上运行,就省略lock前缀(单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性,不需要lock前缀提供的内存屏障效果).lock前缀的作用说明:1禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序,2把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。
总的来说,Atomic实现了高效无锁(底层还是用到排它锁,不过底层处理比java层处理要快很多)与线程安全(volatile变量特性),CAS一般适用于计数;多线程编程也适用,多个线程执行AtomicXXX类下面的方法,当某个线程执行的时候具有排他性,在执行方法中不会被打断,直至当前线程完成才会执行其他的线程。
参考文章:http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-5
http://hllvm.group.iteye.com/group/topic/37940
http://www.cnblogs.com/dolphin0520/p/3920373.html
---------------------
原文:https://blog.csdn.net/u013404471/article/details/47297123
下面在看java并发编程艺术时有一段关于CAS的实现!
在Java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。
(1)使用循环CAS实现原子操作
JVM中的CAS操作正是利用了处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止,以下代码实现了一个基于CAS线程安全的计数器方法safeCount和一个非线程安全的计数器count。
从Java 1.5开始,JDK的并发包里提供了一些类来支持原子操作,如AtomicBoolean(用原子方式更新的boolean值)、AtomicInteger(用原子方式更新的int值)和AtomicLong(用原子方式更新的long值)。这些原子包装类还提供了有用的工具方法,
比如以原子的方式将当前值自增1和自减1。
package com.odyun; import java.util.ArrayList;
import java.util.List;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger; public class CASTest { private AtomicInteger atomicI = new AtomicInteger(0);
private int i = 0;
public static void main(String[] args) {
final CASTest cas = new CASTest();
List<Thread> ts = new ArrayList<Thread>(600);
long start = System.currentTimeMillis();
for (int j = 0; j < 100; j++) {
Thread t = new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
for (int i = 0; i < 10000; i++) {
cas.count();
cas.safeCount();
}
}
});
ts.add(t);
}
for (Thread t : ts) {
t.start();
}
// 等待所有线程执行完成
for (Thread t : ts) {
try {
t.join();
} catch (InterruptedException e) {
e.printStackTrace();
}
}
System.out.println(cas.i);
System.out.println(cas.atomicI.get());
System.out.println(System.currentTimeMillis() - start);
}
/** * 使用CAS实现线程安全计数器 */
private void safeCount() {
for (;;) {
int i = atomicI.get();
boolean suc = atomicI.compareAndSet(i, ++i);
if (suc) {
break;
}
}
}
/**
* 非线程安全计数器
*/
private void count() {
i++;
}
}
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