面试必问的CAS,要多了解

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前言

CAS(Compare and Swap),即比较并替换,实现并发算法时常用到的一种技术,Doug lea大神在java同步器中大量使用了CAS技术,鬼斧神工的实现了多线程执行的安全性。

CAS的思想很简单:三个参数,一个当前内存值V、旧的预期值A、即将更新的值B,当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值修改为B并返回true,否则什么都不做,并返回false。

问题

一个 n++ 的问题。

public class Case {

    public volatile int n;

    public void add() {
        n++;
    }
}

通过 javap -verbose Case 看看add方法的字节码指令

public void add();
    flags: ACC_PUBLIC
    Code:
      stack=3, locals=1, args_size=1
         0: aload_0       
         1: dup           
         2: getfield      #2                  // Field n:I
         5: iconst_1      
         6: iadd          
         7: putfield      #2                  // Field n:I
        10: return

n++ 被拆分成了几个指令:

  1. 执行 getfield 拿到原始n;
  2. 执行 iadd 进行加1操作;
  3. 执行 putfield 写把累加后的值写回n;

通过volatile修饰的变量可以保证线程之间的可见性,但并不能保证这3个指令的原子执行,在多线程并发执行下,无法做到线程安全,得到正确的结果,那么应该如何解决呢?

如何解决

add 方法加上synchronized修饰解决。

public class Case {

    public volatile int n;

    public synchronized void add() {
        n++;
    }
}

这个方案当然可行,但是性能上差了点,还有其它方案么?

再来看一段代码

public int a = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int b) {
    if (a == 1) {
        a = b;
        return true;
    }
    return false;
}

如果这段代码在并发下执行,会发生什么?

假设线程1和线程2都过了 a==1 的检测,都准备执行对a进行赋值,结果就是两个线程同时修改了变量a,显然这种结果是无法符合预期的,无法确定a的最终值。

解决方法也同样暴力,在compareAndSwapInt方法加锁同步,变成一个原子操作,同一时刻只有一个线程才能修改变量a。

除了低性能的加锁方案,我们还可以使用JDK自带的CAS方案,在CAS中,比较和替换是一组原子操作,不会被外部打断,且在性能上更占有优势。

下面以 AtomicInteger 的实现为例,分析一下CAS是如何实现的。

public class AtomicInteger extends Number implements java.io.Serializable {
    // setup to use Unsafe.compareAndSwapInt for updates
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long valueOffset;

    static {
        try {
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
    }

    private volatile int value;
    public final int get() {return value;}
}
  1. Unsafe,是CAS的核心类,由于Java方法无法直接访问底层系统,需要通过本地(native)方法来访问,Unsafe相当于一个后门,基于该类可以直接操作特定内存的数据。
  2. 变量valueOffset,表示该变量值在内存中的偏移地址,因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的。
  3. 变量value用volatile修饰,保证了多线程之间的内存可见性。

看看 AtomicInteger 如何实现并发下的累加操作:

public final int getAndAdd(int delta) {    
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

//unsafe.getAndAddInt
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

假设线程A和线程B同时执行getAndAdd操作(分别跑在不同CPU上):

  1. AtomicInteger里面的value原始值为3,即主内存中AtomicInteger的value为3,根据Java内存模型,线程A和线程B各自持有一份value的副本,值为3。
  2. 线程A通过 getIntVolatile(var1, var2) 拿到value值3,这时线程A被挂起。
  3. 线程B也通过 getIntVolatile(var1, var2) 方法获取到value值3,运气好,线程B没有被挂起,并执行 compareAndSwapInt 方法比较内存值也为3,成功修改内存值为2。
  4. 这时线程A恢复,执行 compareAndSwapInt 方法比较,发现自己手里的值(3)和内存的值(2)不一致,说明该值已经被其它线程提前修改过了,那只能重新来一遍了。
  5. 重新获取value值,因为变量value被volatile修饰,所以其它线程对它的修改,线程A总是能够看到,线程A继续执行 compareAndSwapInt 进行比较替换,直到成功。

整个过程中,利用CAS保证了对于value的修改的并发安全,继续深入看看Unsafe类中的compareAndSwapInt方法实现。

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);

Unsafe类中的compareAndSwapInt,是一个本地方法,该方法的实现位于 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
  1. 先想办法拿到变量value在内存中的地址。
  2. 通过 Atomic::cmpxchg 实现比较替换,其中参数x是即将更新的值,参数e是原内存的值。

如果是Linux的x86, Atomic::cmpxchg 方法的实现如下:

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
  int mp = os::is_MP();
  __asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
                    : "=a" (exchange_value)
                    : "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
                    : "cc", "memory");
  return exchange_value;
}

看到这汇编,内心崩溃 :confounded:

__asm__ 表示汇编的开始

volatile 表示禁止编译器优化

LOCK_IF_MP 是个内联函数

#define LOCK_IF_MP(mp) "cmp $0, " #mp "; je 1f; lock; 1: "

Window的x86实现如下:

inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
    int mp = os::isMP(); //判断是否是多处理器
    _asm {
        mov edx, dest
        mov ecx, exchange_value
        mov eax, compare_value
        LOCK_IF_MP(mp)
        cmpxchg dword ptr [edx], ecx
    }
}

// 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:

LOCK_IF_MP 根据当前系统是否为多核处理器决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。

  1. 如果是多处理器,为cmpxchg指令添加lock前缀。
  2. 反之,就省略lock前缀。(单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果)

intel手册对lock前缀的说明如下:

  1. 确保后续指令执行的原子性。
    在Pentium及之前的处理器中,带有lock前缀的指令在执行期间会锁住总线,使得其它处理器暂时无法通过总线访问内存,很显然,这个开销很大。在新的处理器中,Intel使用缓存锁定来保证指令执行的原子性,缓存锁定将大大降低lock前缀指令的执行开销。
  2. 禁止该指令与前面和后面的读写指令重排序。
  3. 把写缓冲区的所有数据刷新到内存中。

上面的第2点和第3点所具有的内存屏障效果,保证了CAS同时具有volatile读和volatile写的内存语义。

CAS缺点

CAS存在一个很明显的问题,即ABA问题。

问题:如果变量V初次读取的时候是A,并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A,那能说明它的值没有被其他线程修改过了吗?

如果在这段期间曾经被改成B,然后又改回A,那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。针对这种情况,java并发包中提供了一个带有标记的原子引用类 AtomicStampedReference ,它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。

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