Java里的CompareAndSet(CAS)

Atomic  從JDK5開始, java.util.concurrent包里提供了很多面向並發編程的類. 使用這些類在多核CPU的機器上會有比較好的性能.
主要原因是這些類里面大多使用(失敗-重試方式的)樂觀鎖而不是synchronized方式的悲觀鎖.

今天有時間跟蹤了一下AtomicInteger的incrementAndGet的實現.
本人對並發編程也不是特別了解, 在這里就是做個筆記, 方便以后再深入研究.

1. incrementAndGet的實現

     public  final  int  incrementAndGet() {
         for  (;;) {
             int  current  =  get();
             int  next  =  current  +  1 ;
             if  (compareAndSet(current, next))
                 return  next;
        }
    }

首先可以看到他是通過一個無限循環(spin)直到increment成功為止.  
循環的內容是
1.取得當前值
2.計算+1后的值
3.如果當前值還有效(沒有被)的話設置那個+1后的值
4.如果設置沒成功(當前值已經無效了即被別的線程改過了), 再從1開始.

2.  compareAndSet的實現

     public  final  boolean  compareAndSet( int  expect,  int  update) {
         return  unsafe.compareAndSwapInt( this , valueOffset, expect, update);
    }

直接調用的是UnSafe這個類的 compareAndSwapInt方法
全稱是 sun.misc.Unsafe. 這個類是Oracle(Sun)提供的實現. 可以在別的公司的JDK里就不是這個類了

3.  compareAndSwapInt的實現

     /**
     * 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);

可以看到, 不是用Java實現的, 而是通過JNI調用操作系統的原生程序.

4.  compareAndSwapInt的native實現
如果你下載了OpenJDK的源代碼的話在hotspot\src\share\vm\prims\目錄下可以找到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

可以看到實際上調用 Atomic類的 cmpxchg方法.

5.  Atomic的 cmpxchg
這個類的實現是跟操作系統有關, 跟CPU架構也有關, 如果是windows下x86的架構
實現在hotspot\src\os_cpu\windows_x86\vm\目錄的atomic_windows_x86.inline.hpp文件里

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
  }
}

在這里可以看到是用嵌入的匯編實現的, 關鍵CPU指令是  cmpxchg
到這里沒法再往下找代碼了. 也就是說CAS的原子性實際上是CPU實現的. 其實在這一點上還是有排他鎖的. 只是比起用synchronized, 這里的排他時間要短的多. 所以在多線程情況下性能會比較好.

代碼里有個 alternative for InterlockedCompareExchange
這個 InterlockedCompareExchange是WINAPI里的一個函數, 做的事情和上面這段匯編是一樣的
http://msdn.microsoft.com/en-us/library/windows/desktop/ms683560%28v=vs.85%29.aspx

6. 最后再貼一下x86的cmpxchg指定

Opcode CMPXCHG

CPU: I486+ 
Type of Instruction: User 

Instruction: CMPXCHG dest, src 

Description: Compares the accumulator with dest. If equal the "dest" 
is loaded with "src", otherwise the accumulator is loaded 
with "dest". 

Flags Affected: AF, CF, OF, PF, SF, ZF 

CPU mode: RM,PM,VM,SMM 
+++++++++++++++++++++++ 
Clocks: 
CMPXCHG reg, reg 6 
CMPXCHG mem, reg 7 (10 if compartion fails)