前言
在上一篇文章中，我們完成了源碼的編譯和調試環境的搭建。
鑒於 CAS 的實現原理比較簡單， 然而很多人對它不夠了解，所以本篇將從 CAS 入手，首先介紹它的使用，然后分析它在 Hotsport 虛擬機中的具體實現。
什么是 CAS
CAS（Compare And Swap，比較並交換）通常指的是這樣一種原子操作：針對一個變量，首先比較它的內存值與某個期望值是否相同，如果相同，就給它賦一個新值。
CAS 的邏輯用偽代碼描述如下：
if (value == expectedValue) {
value = newValue;
}
以上偽代碼描述了一個由比較和賦值兩階段組成的復合操作，CAS 可以看作是它們合並后的整體——一個不可分割的原子操作，並且其原子性是直接在硬件層面得到保障的，后面我會具體介紹。
Java 中的 CAS
在 Java 中，CAS 操作是由 Unsafe 類提供支持的，該類定義了三種針對不同類型變量的 CAS 操作，如圖。
它們都是 native 方法，由 Java 虛擬機提供具體實現，這意味着不同的 Java 虛擬機對它們的實現可能會略有不同。
下面我將通過代碼演示一下它們的功能，以 compareAndSwapInt 為例。
首先需要得到 Unsafe 對象。由於 Unsafe 被設計為單例類，並且它的獲取實例的方法只允許被基礎類庫中的類調用，因此，我們自己的類要想獲取 Unsafe 對象，只能通過反射實現。
獲取 Unsafe 對象的代碼如下：
private static Unsafe getUnsafe() {
try {
Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafeField.setAccessible(true);
return (Unsafe) theUnsafeField.get(Unsafe.class);
} catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
throw new Error(e);
}
}
Unsafe 的 compareAndSwapInt 方法接收 4 個參數，分別是：對象實例、字段偏移量、字段期望值、字段新值。該方法會針對指定對象實例中的相應偏移量的字段執行 CAS 操作。
獲取字段偏移量的代碼如下：
private static long getFieldOffset(Unsafe unsafe, Class clazz, String fieldName) {
try {
return unsafe.objectFieldOffset(clazz.getDeclaredField(fieldName));
} catch (NoSuchFieldException e) {
throw new Error(e);
}
}
演示代碼如下：
public static void main(String[] args) {
Unsafe unsafe = getUnsafe();
long offset = getFieldOffset(unsafe, Entity.class, "x");
boolean successful;
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 0, 3);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 5);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
successful = unsafe.compareAndSwapInt(entity, offset, 3, 8);
System.out.println(successful + "\t" + entity.x);
}
在我們的演示代碼中，我們首先得到 Unsafe 對象，然后得到 Entity 中的 x 字段的偏移量（Entity 是我們自定義的實體類）。接下來是針對 entity.x 的 3 次 CAS 操作，分別試圖將它從 0 改成 3、從 3 改成 5、從 3 改成 8。
執行結果如下：
可以看到，由於 entity.x 的原始值為 0，所以第一次 CAS 成功地將它更新為 3，第二次 CAS 也成功地將它更新為 5，但是在第三次 CAS 時，由於 entity.x 的當前值 5 與期望值 3 不相同，所以 CAS 失敗， entity.x 並沒有得到更新，它的值仍然是 5。
以上就是 CAS 在 Java 中的直觀體現，它是所有並發原子類型的基礎。下面我們來看一下它的底層實現。
JVM 中的 CAS
關於上面演示的 compareAndSwapInt 方法，Hotspot 虛擬機對它的實現如下：
為了更加直觀，我在這里打上了斷點，並聯合上面的 Java 代碼一起調試。上圖顯示了當前線程停在了斷點處的對 Atomic::cmpxchg 方法的調用上。
Atomic::cmpxchg 方法非常關鍵，它是 Hotspot 虛擬機對 CAS 操作的封裝。我們將斷點跟進方法內部，從 “Variables” 標簽頁中可以觀察到，當前 Java 虛擬機正在處理上述 Java 程序的第一次 CAS 請求，准備將 entity.x 的值從 0 改成 3，如圖。
Atomic::cmpxchg 方法的定義如上圖所示，它首先通過 os::is_MP() 判斷當前執行環境是否為多處理器環境，然后嵌入一段匯編代碼，這段匯編代碼會執行一條 cmpxchgl 指令，同時把 exchange_value 等變量作為操作數，當它執行完成之后，方法將直接返回 exchange_value 的值。
從中可以看出， cmpxchgl 匯編指令是整個 Atomic::cmpxchg 方法的核心。
順便補充一下，匯編代碼中的
LOCK_IF_MP是一個宏，這個宏的作用是，在多處理器環境下，為cmpxchgl指令添加lock前綴，以達到內存屏障的效果。內存屏障能夠在目標指令執行之前，保障多個處理器之間的緩存一致性，由於單處理器環境下並不需要內存屏障，故做此判斷。
cmpxchgl 指令是包含在 x86 架構及 IA-64 架構中的一個原子條件指令，在我們的例子中，它會首先比較 dest 指針指向的內存值是否和 compare_value 的值相等，如果相等，則雙向交換 dest 與 exchange_value，否則就單方面地將 dest 指向的內存值交給 ``exchange_value。這條指令完成了整個 CAS 操作，因此它也被稱為 CAS 指令。
事實上，現代指令集架構基本上都會提供 CAS 指令，例如 x86 和 IA-64 架構中的 cmpxchgl 指令和 comxchgq 指令，sparc 架構中的 cas 指令和 casx 指令等等。
不管是 Hotspot 中的 Atomic::cmpxchg 方法，還是 Java 中的 compareAndSwapInt 方法，它們本質上都是對相應平台的 CAS 指令的一層簡單封裝。CAS 指令作為一種硬件原語，有着天然的原子性，這也正是 CAS 的價值所在。