CAS(compareAndSwap)原理

unsafe中對應擁有三個方法 compareAndSwapObject ,compareAndSwapInt和compareAndSwapLong ，他們都被標記爲native

compareAndSwapObject

它的核心實現爲

oop res = oopDesc::atomic_compare_exchange_oop(x, addr, e);

實現核心如下

inline oop oopDesc::atomic_compare_exchange_oop(oop exchange_value,
                                                volatile HeapWord *dest,
                                                oop compare_value) {
  if (UseCompressedOops) {
    narrowOop val = encode_heap_oop(exchange_value);
    narrowOop cmp = encode_heap_oop(compare_value);

    narrowOop old = (narrowOop) Atomic::cmpxchg(val, (narrowOop*)dest, cmp);
    return decode_heap_oop(old);
  } else {
    return (oop)Atomic::cmpxchg_ptr(exchange_value, (oop*)dest, compare_value);
  }
}

UseCompressedOops: 32位平臺運行的程序在64位上會佔用更大的長度，可以使用 -XX:+UserCompressedOops壓縮指針，達到節約內存的目的。

compareAndSwapInt

核心代碼如下

return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;

compareAndSwapLong

核心代碼如下

if (VM_Version::supports_cx8())
  return (jlong)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
else {
  jboolean success = false;
  ObjectLocker ol(p, THREAD);
  if (*addr == e) { *addr = x; success = true; }
  return success;
}

supports_cx8:判斷硬件是不是支持8-byte compare-exchange ， x86架構中通過cpuid指令來獲取是否試支持，CMPXCHG8指令 ；SPARC架構也是看 (_features & v9_instructions_m)指令的支持情況

Atomic::cmpxchg

無論是那個調用，最終都歸結到了Atomic上，Atomic.hpp中函數聲明如下

//比較當前的值和目的地址的值，如果比較成功，就把目的地址的值更改爲exchange_value，並返回原來存的值
static jbyte    cmpxchg    (jbyte    exchange_value, volatile jbyte*    dest, jbyte    compare_value);
static jint     cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value);
static jlong    cmpxchg    (jlong    exchange_value, volatile jlong*    dest, jlong    compare_value);
static unsigned int cmpxchg(unsigned int exchange_value, volatile unsigned int* dest, unsigned int compare_value);
static intptr_t cmpxchg_ptr(intptr_t exchange_value, volatile intptr_t* dest, intptr_t compare_value);
static void*    cmpxchg_ptr(void*    exchange_value, volatile void*     dest, void*    compare_value);

從Atomic.cpp可以看到在不同的操作系統中有不同的實現
在 windows_x86中，一種實現如下

inline jint     Atomic::cmpxchg    (jint     exchange_value, volatile jint*     dest, jint     compare_value) {
  int mp = os::is_MP(); //查看是否是多核
  __asm {
    mov edx, dest
    mov ecx, exchange_value
    mov eax, compare_value
    LOCK_IF_MP(mp)
    cmpxchg dword ptr [edx], ecx
  }
}

linux_x86中，實現如下

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;
}

可以看到最終都是使用操作系統對應的指令來完成

都在哪兒用了

可以看到Atomic的實現就是用的CAS，比如AtomicInteger的incrementAndGet

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

這種一直循環的操作也稱作自旋

CAS的缺點

• 如果一直沒有成功，則一直循環，給CPU帶來很大的開銷。
• 只能是一個變量
• ABA問題。一個變量取值爲A，恰巧另一個線程將它換成了B然後又換回來了，這個時候再讀取還是A，實際上是改變了值。java自身提供了AtomicStampedReference來解決這個問題，原理是添加一個額外的版本來做判斷

源碼來自jdk1.7