Java CAS 原理分析，分享两道阿里P7究极难度算法题
作者：互联网
前面说了 CAS 操作的流程，并不是很难。但仅有上面的说明还不够，接下来我将会再介绍一点其他的背景知识。有这些背景知识，才能更好的理解后续的内容。
2.背景介绍
我们都知道，CPU 是通过总线和内存进行数据传输的。在多核心时代下，多个核心通过同一条总线和内存以及其他硬件进行通信。如下图：
[外链图片转存失败,源站可能有防盗链机制,建议将图片保存下来直接上传(img-TSXZnVe1-1631373698813)(https://blog.csdn.net/)]
图片出处：《深入理解计算机系统》
上图是一个较为简单的计算机结构图，虽然简单，但足以说明问题。在上图中，CPU 通过两个蓝色箭头标注的总线与内存进行通信。大家考虑一个问题，CPU 的多个核心同时对同一片内存进行操作，若不加以控制，会导致什么样的错误？这里简单说明一下，假设核心1经32位带宽的总线向内存写入64位的数据，核心1要进行两次写入才能完成整个操作。若在核心1第一次写入32位的数据后，核心2从核心1写入的内存位置读取了64位数据。由于核心1还未完全将64位的数据全部写入内存中，核心2就开始从该内存位置读取数据，那么读取出来的数据必定是混乱的。
不过对于这个问题，实际上不用担心。通过 Intel 开发人员手册，我们可以了解到自奔腾处理器开始，Intel 处理器会保证以原子的方式读写按64位边界对齐的四字（quadword）。
根据上面的说明，我们可总结出，Intel 处理器可以保证单次访问内存对齐的指令以原子的方式执行。但如果是两次访存的指令呢？答案是无法保证。比如递增指令inc dword ptr [...]，等价于DEST = DEST + 1。该指令包含三个操作读->改->写，涉及两次访存。考虑这样一种情况，在内存指定位置处，存放了一个为1的数值。现在 CPU 两个核心同时执行该条指令。两个核心交替执行的流程如下：
-
核心1 从内存指定位置出读取数值1，并加载到寄存器中
-
核心2 从内存指定位置出读取数值1，并加载到寄存器中
-
核心1 将寄存器中值递减1
-
核心2 将寄存器中值递减1
-
核心1 将修改后的值写回内存
-
核心2 将修改后的值写回内存
经过执行上述流程，内存中的最终值时2，而我们期待的是3，这就出问题了。要处理这个问题，就要避免两个或多个核心同时操作同一片内存区域。那么怎样避免呢？这就要引入本文的主角 - lock 前缀。关于该指令的详细描述，可以参考 Intel 开发人员手册 Volume 2 Instruction Set Reference，Chapter 3 Instruction Set Reference A-L。我这里引用其中的一段，如下：
LOCK—Assert LOCK# Signal Prefix
Causes the processor’s LOCK# signal to be asserted during execution of the accompanying instruction (turns the instruction into an atomic instruction). In a multiprocessor environment, the LOCK# signal ensures that the processor has exclusive use of any shared memory while the signal is asserted.
上面描述的重点已经用黑体标出了，在多处理器环境下，LOCK# 信号可以确保处理器独占使用某些共享内存。lock 可以被添加在下面的指令前：
ADD, ADC, AND, BTC, BTR, BTS, CMPXCHG, CMPXCH8B, CMPXCHG16B, DEC, INC, NEG, NOT, OR, SBB, SUB, XOR, XADD, and XCHG.
通过在 inc 指令前添加 lock 前缀，即可让该指令具备原子性。多个核心同时执行同一条 inc 指令时，会以串行的方式进行，也就避免了上面所说的那种情况。那么这里还有一个问题，lock 前缀是怎样保证核心独占某片内存区域的呢？答案如下：
在 Intel 处理器中，有两种方式保证处理器的某个核心独占某片内存区域。第一种方式是通过锁定总线，让某个核心独占使用总线，但这样代价太大。总线被锁定后，其他核心就不能访问内存了，可能会导致其他核心短时内停止工作。第二种方式是锁定缓存，若某处内存数据被缓存在处理器缓存中。处理器发出的 LOCK# 信号不会锁定总线，而是锁定缓存行对应的内存区域。其他处理器在这片内存区域锁定期间，无法对这片内存区域进行相关操作。相对于锁定总线，锁定缓存的代价明显比较小。关于总线锁和缓存锁，更详细的描述请参考 Intel 开发人员手册 Volume 3 Software Developer’s Manual，Chapter 8 Multiple-Processor Management。
3.源码分析
有了上面的背景知识，现在我们就可以从容不迫的阅读 CAS 的源码了。本章的内容将对 java.util.concurrent.atomic 包下的原子类 AtomicInteger 中的 compareAndSet 方法进行分析，相关分析如下：
`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 {
// 计算变量 value 在类对象中的偏移
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
/* * compareAndSet 实际上只是一个壳子，主要的逻辑封装在 Unsafe 的 * compareAndSwapInt 方法中 */
return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}
// ......
}
public final class Unsafe {
// compareAndSwapInt 是 native 类型的方法，继续往下看
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);
// ......
}`
`// unsafe.cpp
/* * 这个看起来好像不像一个函数，不过不用担心，不是重点。UNSAFE_ENTRY 和 UNSAFE_END 都是宏， * 在预编译期间会被替换成真正的代码。下面的 jboolean、jlong 和 jint 等一些类型也都是宏： * * jni.h * typedef unsigned char jboolean; * typedef unsigned short jchar; * typedef short jshort; * typedef float jfloat; * typedef double jdouble; * * jni_md.h * typedef int jint; * #ifdef _LP64 /* 64-bit */
* typedef long jlong;
* #else
* typedef long long jlong;
* #endif
* typedef signed char jbyte;
*/
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);
// 根据偏移量，计算 value 的地址。这里的 offset 就是 AtomaicInteger 中的 valueOffset
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
// 调用 Atomic 中的函数 cmpxchg，该函数声明于 Atomic.hpp 中
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
// atomic.cpp
unsigned Atomic::cmpxchg(unsigned int exchange_value,
volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value) {
assert(sizeof(unsigned int) == sizeof(jint), "more work to do");
/* * 根据操作系统类型调用不同平台下的重载函数，这个在预编译期间编译器会决定调用哪个平台下的重载 * 函数。相关的预编译逻辑如下： * * atomic.inline.hpp： * #include "runtime/atomic.hpp" * * // Linux * #ifdef TARGET_OS_ARCH_linux_x86 * # include "atomic_linux_x86.inline.hpp" * #endif * * // 省略部分代码 * * // Windows * #ifdef TARGET_OS_ARCH_windows_x86 * # include "atomic_windows_x86.inline.hpp" * #endif * * // BSD * #ifdef TARGET_OS_ARCH_bsd_x86 * # include "atomic_bsd_x86.inline.hpp" * #endif * * 接下来分析 atomic_windows_x86.inline.hpp 中的 cmpxchg 函数实现 */
return (unsigned int)Atomic::cmpxchg((jint)exchange_value, (volatile jint*)dest,
(jint)compare_value);
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> 提取码：2p8n**
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标签：究极,typedef,Java,P7,int,核心,jint,内存,atomic 来源： https://blog.csdn.net/m0_60732644/article/details/120244900