Java 8 中 CAS 的增强

几天前，我偶然地将之前写的用来测试AtomicInteger和synchronized的自增性能的代码跑了一下，意外地发现AtomicInteger的性能比synchronized更好了，经过一番原因查找，有了如下发现：

在jdk1.7中，AtomicInteger的getAndIncrement是这样的：

public final int getAndIncrement() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return current;
    }
}
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

而在jdk1.8中，是这样的：

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

可以看出，在jdk1.8中，直接使用了Unsafe的getAndAddInt方法，而在jdk1.7的Unsafe中，没有此方法。（PS:为了找出原因，我反编译了Unsafe，发现CAS的失败重试就是在getAndAddInt方法里完成的，我用反射获取到Unsafe实例，编写了跟getAndAddInt相同的代码，但测试结果却跟jdk1.7的getAndIncrement一样慢，不知道Unsafe里面究竟玩了什么黑魔法，还请高人不吝指点）（补充：文章末尾已有推论）

通过查看AtomicInteger的源码可以发现，受影响的还有getAndAdd、addAndGet等大部分方法。

有了这次对CAS的增强，我们又多了一个使用非阻塞算法的理由。

最后给出测试代码，需要注意的是，此测试方法简单粗暴，compareAndSet的性能不如synchronized，并不能简单地说synchronized就更好，两者的使用方式是存在差异的，而且在实际使用中，还有业务处理，不可能有如此高的竞争强度，此对比仅作为一个参考，该测试能够证明的是，AtomicInteger.getAndIncrement的性能有了大幅提升。

package performance;

import java.util.concurrent.CountDownLatch;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;

public class AtomicTest {
	//测试规模，调用一次getAndIncreaseX视作提供一次业务服务，记录提供TEST_SIZE次服务的耗时
	private static final int TEST_SIZE = 100000000;
	//客户线程数
	private static final int THREAD_COUNT = 10;
	//使用CountDownLatch让各线程同时开始
	private CountDownLatch cdl = new CountDownLatch(THREAD_COUNT + 1);

	private int n = 0;
	private AtomicInteger ai = new AtomicInteger(0);
	private long startTime;

	public void init() {
		startTime = System.nanoTime();
	}

	/**
	 * 使用AtomicInteger.getAndIncrement，测试结果为1.8比1.7有明显性能提升
	 * @return
	 */
	private final int getAndIncreaseA() {
		int result = ai.getAndIncrement();
		if (result == TEST_SIZE) {
			System.out.println(System.nanoTime() - startTime);
			System.exit(0);
		}
		return result;
	}

	/**
	 * 使用synchronized来完成同步，测试结果为1.7和1.8几乎无性能差别
	 * @return
	 */
	private final int getAndIncreaseB() {
		int result;
		synchronized (this) {
			result = n++;
		}
		if (result == TEST_SIZE) {
			System.out.println(System.nanoTime() - startTime);
			System.exit(0);
		}
		return result;
	}

	/**
	 * 使用AtomicInteger.compareAndSet在java代码层面做失败重试（与1.7的AtomicInteger.getAndIncrement的实现类似），
	 * 测试结果为1.7和1.8几乎无性能差别
	 * @return
	 */
	private final int getAndIncreaseC() {
		int result;
		do {
			result = ai.get();
		} while (!ai.compareAndSet(result, result + 1));
		if (result == TEST_SIZE) {
			System.out.println(System.nanoTime() - startTime);
			System.exit(0);
		}
		return result;
	}

	public class MyTask implements Runnable {
		@Override
		public void run() {
			cdl.countDown();
			try {
				cdl.await();
			} catch (InterruptedException e) {
				e.printStackTrace();
			}
			while (true)
				getAndIncreaseA();// getAndIncreaseB();
		}
	}

	public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
		AtomicTest at = new AtomicTest();
		for (int n = 0; n < THREAD_COUNT; n++)
			new Thread(at.new MyTask()).start();
		System.out.println("start");
		at.init();
		at.cdl.countDown();
	}
}

以下是在Intel(R) Core(TM) i7-4710HQ CPU @2.50GHz（四核八线程）下的测试结果(波动较小，所以每项只测试了四五次，取其中一个较中间的值)：

jdk1.7

AtomicInteger.getAndIncrement 12,653,757,034
synchronized 4,146,813,462
AtomicInteger.compareAndSet 12,952,821,234

jdk1.8

AtomicInteger.getAndIncrement 2,159,486,620
synchronized 4,067,309,911
AtomicInteger.compareAndSet 12,893,188,541

补充：应网友要求，在此提供Unsafe.getAndAddInt的相关源码以及我的测试代码。

用jad反编译jdk1.8中Unsafe得到的源码：

public final int getAndAddInt(Object obj, long l, int i)
{
    int j;
    do
        j = getIntVolatile(obj, l);
    while(!compareAndSwapInt(obj, l, j, j + i));
    return j;
}
public native int getIntVolatile(Object obj, long l);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long l, int i, int j);

openjdk8的Unsafe源码：

public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
}
public native int     getIntVolatile(Object o, long offset);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,
                                              int expected,
                                              int x);

我的测试代码(提示：如果eclipse等ide报错，那是因为使用了受限的Unsafe，可以将警告级别从error降为warning，具体百度即可)：

...
import sun.misc.Unsafe;
public class AtomicTest {
	....
	private Unsafe unsafe;
	private long valueOffset;
	public AtomicTest(){
		Field f;
		try {
			f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
			f.setAccessible(true);
			unsafe = (Unsafe)f.get(null);
			valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
		}catch(NoSuchFieldException e){
		...
		}
	}
	private final int getAndIncreaseD(){
		int result;
		do{
			result = unsafe.getIntVolatile(ai, valueOffset);
		}while(!unsafe.compareAndSwapInt(ai, valueOffset, result, result+1));
		if(result == MAX){
			System.out.println(System.nanoTime()-startTime);
			System.exit(0);
		}
		return result;
	}
	...
}

补充2：对于性能提升的原因，有以下推论，虽不敢说百分之百正确（因为没有用jvm的源码作为论据），但还是有很大把握的，感谢网友@周 可人和@liuxinglanyue！

Unsafe是经过特殊处理的，不能理解成常规的java代码，区别在于：

在调用getAndAddInt的时候，如果系统底层支持fetch-and-add，那么它执行的就是native方法，使用的是fetch-and-add；
如果不支持，就按照上面的所看到的getAndAddInt方法体那样，以java代码的方式去执行，使用的是compare-and-swap；

这也正好跟openjdk8中Unsafe::getAndAddInt上方的注释相吻合：

// The following contain CAS-based Java implementations used on
// platforms not supporting native instructions

Unsafe的特殊处理也就是我上文所说的“黑魔法”。

相关链接：

http://ashkrit.blogspot.com/2014/02/atomicinteger-java-7-vs-java-8.html
http://hg.openjdk.java.net/jdk8u/hs-dev/jdk/file/a006fa0a9e8f/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java