CAS操做原理分析

 

1、CAS簡單介紹

    CAS:Compare and Swap, 翻譯成比較並交換。

    java.util.concurrent包中藉助CAS實現了區別於synchronouse同步鎖的一種樂觀鎖。synchronouse是一種悲觀鎖，它會致使其餘全部須要鎖的線程掛起。

 

2、CAS原理

    CAS有3個操做數，內存值V，舊的預期值A，要修改的新值B。當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值V修改成B，不然什麼都不作。

    CAS採用的是一種非阻塞算法（nonblocking algorithms），一個線程的失敗或者掛起不該該影響其餘線程的失敗或掛起的算法。

 

 

    CAS經過調用JNI的代碼實現Java的非阻塞算法。其它原子操做都是利用相似的特性完成的。JNI:Java Native Interface爲JAVA本地調用，容許java調用其餘語言。

 

拿AtomicInteger來舉例，

    private volatile int value;

    1.它有個volatile的成員變量 value，經過volatile關鍵字來保證多線程間數據的可見性的。

        因此在沒有鎖的機制下可能須要藉助volatile原語，保證線程間的數據是可見的（共享的）。這樣才獲取變量的值的時候才能直接讀取。

public final int get() {

        return value;

    }

    2.經過CAS操做來實現+1操做的，下面compareAndSet（）方法就是

    public final int incrementAndGet() {

    for (;;) {

        int current = get();

        int next = current + 1;

        if (compareAndSet(current, next))

            return next;

    }

}

 

而compareAndSet利用JNI來完成CPU指令的操做。

 

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {   

    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

    }

 

而compareAndSwapInt就是藉助C來調用CPU底層指令實現的。

 

intel x86處理器的源代碼的片斷：

 

// 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

  }

}

 

根據CPU處理器源代碼所示，程序會根據當前處理器的類型來決定是否爲cmpxchg指令添加lock前綴。若是程序是在多處理器上運行，就爲cmpxchg指令加上lock前綴（lock cmpxchg）。反之，若是程序是在單處理器上運行，就省略lock前綴（單處理器自身會維護單處理器內的順序一致性，不須要lock前綴提供的內存屏障效果）。

 

 

3、關於CPU的鎖有以下3種：

 

　　1 處理器自動保證基本內存操做的原子性

 

　　首先處理器會自動保證基本的內存操做的原子性。處理器保證從系統內存當中讀取或者寫入一個字節是原子的，意思是當一個處理器讀取一個字節時，其餘處理器不能訪問這個字節的內存地址。奔騰6和最新的處理器能自動保證單處理器對同一個緩存行裏進行16/32/64位的操做是原子的，可是複雜的內存操做處理器不能自動保證其原子性，好比跨總線寬度，跨多個緩存行，跨頁表的訪問。可是處理器提供總線鎖定和緩存鎖定兩個機制來保證複雜內存操做的原子性。

 

　　2 使用總線鎖保證原子性

 

　　第一個機制是經過總線鎖保證原子性。若是多個處理器同時對共享變量進行讀改寫（i++就是經典的讀改寫操做）操做，那麼共享變量就會被多個處理器同時進行操做，這樣讀改寫操做就不是原子的，操做完以後共享變量的值會和指望的不一致，舉個例子：若是i=1,咱們進行兩次i++操做，咱們指望的結果是3，可是有可能結果是2。

 

要保證讀改寫共享變量的操做是原子的，就必須保證CPU1讀改寫共享變量的時候，CPU2不能操做緩存了該共享變量內存地址的緩存。

 

　　處理器使用總線鎖就是來解決這個問題的。所謂總線鎖就是使用處理器提供的一個LOCK＃信號，當一個處理器在總線上輸出此信號時，其餘處理器的請求將被阻塞住,那麼該處理器能夠獨佔使用共享內存。

 

　　3 使用緩存鎖保證原子性

 

　　第二個機制是經過緩存鎖定保證原子性。在同一時刻咱們只需保證對某個內存地址的操做是原子性便可，但總線鎖定把CPU和內存之間通訊鎖住了，這使得鎖按期間，其餘處理器不能操做其餘內存地址的數據，因此總線鎖定的開銷比較大，最近的處理器在某些場合下使用緩存鎖定代替總線鎖定來進行優化。

 

    頻繁使用的內存會緩存在處理器的L1，L2和L3高速緩存裏，那麼原子操做就能夠直接在處理器內部緩存中進行，並不須要聲明總線鎖，在奔騰6和最近的處理器中可使用「緩存鎖定」的方式來實現複雜的原子性。所謂「緩存鎖定」就是若是緩存在處理器緩存行中內存區域在LOCK操做期間被鎖定，當它執行鎖操做回寫內存時，處理器不在總線上聲言LOCK＃信號，而是修改內部的內存地址，並容許它的緩存一致性機制來保證操做的原子性，由於緩存一致性機制會阻止同時修改被兩個以上處理器緩存的內存區域數據，當其餘處理器回寫已被鎖定的緩存行的數據時會起緩存行無效，在例1中，當CPU1修改緩存行中的i時使用緩存鎖定，那麼CPU2就不能同時緩存了i的緩存行。

 

　　可是有兩種狀況下處理器不會使用緩存鎖定。第一種狀況是：當操做的數據不能被緩存在處理器內部，或操做的數據跨多個緩存行（cache line），則處理器會調用總線鎖定。第二種狀況是：有些處理器不支持緩存鎖定。對於Inter486和奔騰處理器,就算鎖定的內存區域在處理器的緩存行中也會調用總線鎖定。