• J.U.C Atomic(一)CAS原理


    CAS概念

    CAS:Compare And Swap,比较并交换。java.util.concurrent包完全是建立于CAS机制之上的。

    CAS原理

     Java CAS是通过调用Unsafe的native方法,再由C程序调用CPU底层命令实现的。

    下面是对应于intel x86处理器的源代码的片段:

    // 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
      }
    }

    如上面源代码所示,程序会根据当前处理器的类型来决定是否为cmpxchg指令添加lock前缀。如果程序是在多处理器上运行,就为cmpxchg指令加上lock前缀(lock cmpxchg)。反之,如果程序是在单处理器上运行,就省略lock前缀(单处理器自身会维护单处理器内的顺序一致性,不需要lock前缀提供的内存屏障效果)。

     intel的手册对lock前缀的说明如下:

    1. 确保对内存的读-改-写操作原子执行。
    2. 禁止该指令与之前和之后的读和写指令重排序。
    3. 把写缓冲区中的所有数据刷新到内存中。

    那么,cpu是如何来确保读、改、写操作原子性的呢?

    • Bus Locking(总线锁)

    在x86 平台上,CPU提供了在指令执行期间对总线加锁的手段。CPU芯片上有一条引线#HLOCK pin,如果汇编语言的程序中在一条指令前面加上前缀"LOCK",经过汇编以后的机器代码就使CPU在执行这条指令的时候把#HLOCK pin的电位拉低,持续到这条指令结束时放开,从而把总线锁住,这样同一总线上别的CPU就暂时不能通过总线访问内存了,保证了这条指令在多处理器环境中可以独占内存。(这种方式性能会比较差,所以后来有了缓存一致性方案

    • 缓存一致性

      MESI是保持一致性的协议,实现原理是在CPU缓存中记一个标记位,标记位有四种状态:

      M: Modify,只在本CPU中有缓存数据,而其他CPU中没有。同时其状态相对于内存中的值来说,是已经被修改的,且没有更新到内存中。

      E: Exclusive,只有在本CPU中有缓存,且其数据没有修改,即与内存中一致。

      S: Share,数据在多个CPU中都有缓存,且与内存一致。

      I: Invalid,本CPU中的这份缓存已经无效。

         该协议约定的缓存上对应的监听:

    1. 一个处于M状态的缓存行,必须时刻监听所有试图读取该缓存行对应的主存地址的操作,如果监听到,则必须在此操作执行前把其缓存行中的数据写回CPU。
    2. 一个处于E状态的缓存行,必须时刻监听其他试图读取该缓存行对应的主存地址的操作,如果监听到,则必须把其缓存行状态设置为S。
    3. 一个处于S状态的缓存行,必须时刻监听使该缓存行无效或者独享该缓存行的请求,如果监听到,则必须把其缓存行状态设置为I。

      当CPU需要读取数据时,如果其缓存行的状态是I的,则需要从内存中读取,并把自己状态变成S,如果不是I,则可以直接读取缓存中的值,但在此之前,必须要等待其他CPU的监听结果,如其他CPU也有该数据的缓存且状态是M,则需要等待其把缓存更新到内存之后,再读取。

      当CPU需要写数据时,只有在其缓存行是M或者E的时候才能执行,否则需要发出特殊的RFO指令(Read Or Ownership,这是一种总线事务),通知其他CPU置缓存无效(I),这种情况下会性能开销是相对较大的。在写入完成后,修改其缓存状态为M。

      但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定。第一种情况是:当操作的数据不能被缓存在处理器内部,或操作的数据跨多个缓存行(cache line),则处理器会调用总线锁定。第二种情况是:有些处理器不支持缓存锁定。对于Inter486和奔腾处理器,就算锁定的内存区域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

    CAS缺点

      CAS虽然很高效的解决原子操作,但是CAS仍然存在三大问题。

    1. ABA问题

      因为CAS需要在操作值的时候检查下值有没有发生变化,如果没有发生变化则更新,但是如果一个值原来是A,变成了B,又变成了A,那么使用CAS进行检查时会发现它的值没有发生变化,但是实际上却变化了。ABA问题的解决思路就是使用版本号。在变量前面追加上版本号,每次变量更新的时候把版本号加一,那么A-B-A 就会变成1A-2B-3A。从Java1.5开始JDK的atomic包里提供了一个类AtomicStampedReference来解决ABA问题。

    2. 自旋开销大

      自旋CAS如果长时间不成功,会给CPU带来非常大的执行开销。jdk1.8好像已经不是采用自旋的方式了,但是据说效率也没有得到多大提高。这个可以自己去测试一下。

    3. 只能保证一个共享变量的原子操作

      当对一个共享变量执行操作时,我们可以使用循环CAS的方式来保证原子操作,但是对多个共享变量操作时,循环CAS就无法保证操作的原子性,这个时候就可以用锁,或者有一个取巧的办法,就是把多个共享变量合并成一个共享变量来操作。

      

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