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
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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++;
    }
}