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Java并发编程之CAS二源码追根溯源

2020-03-25 22:46:53

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Java并发编程之CAS二源码追根溯源

在上一篇文章中,我们知道了什么是CAS以及CAS的执行流程,在本篇文章中,我们将跟着源码一步一步的查看CAS最底层实现原理。

本篇是《凯哥(凯哥Java:kagejava)并发编程学习》系列之《CAS系列》教程的第二篇:从源码追根溯源查看CAS最底层是怎么实现的。

本文主要内容:CAS追根溯源,彻底找到CAS的根在哪里。

一:查看AtomicInteger.compareAndSet源码

通过上一篇文章学习,我们知道了AtomicInteger.compareAndSet方法不加锁可以保证原子性(其原理就是unsafe+cas实现的),我们来看看其源码:

思考1:变量可见性

AtomicInteger对象(下文凯哥简称:atoInteger)怎么保证变量内存可见性呢?

查看源码:


思考2:为什么上一篇13行的i.compareAndSet(1,1024)是false

我们来看看atoInteger的compareAndSet方法。凯哥在上面添加了注释。


在调用unsafe的compareAndSwapInt这个方法的时候,unsafe是什么?this指的是什么?valueOffset又是什么呢?

我们接着查看atoInteger源码:


我们发现Unsafe以及valueOffset都是从一个对象中获取到的。

那么this指的是什么?其实this就是当前atoInteger对象。

那么Unsafe对象在哪里呢?




我们想要看源码,怎么查看呢?发现不能看源码啊。别急,这个文件的源码可以从openJdk的源码中查到。

接着,我们来查看OpenJdk8的源码:

(PS:下载OpenJdk8源码凯哥这里就不赘述了。在文章最后,凯哥给出)

下载完,解压之后,文件位置:openjdk\jdk\src\share\classes\sun\misc。如下图:


我们来看看Unsafe类上面的注解:


A collection of methods for performing low-level, unsafe operations.

什么意思呢?用于执行底层的(low-level,)、不安全操作的方法的集合。

就是说,这个类可以直接操作底层数据的。

需要说明的是:在这个对象中大量的方法使用了native来修饰(据网友统计高达82个)


我们知道,Java的方法使用native关键字修饰的,说明这个方法不是Java自身的方法(非Java方法),可能调用的是其他语言的。如C或C++语言的方法。

我们再来看看:unsafe.objectFieldOffse()中的


这个方法就是返回一个内存中访问偏移量。

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


在unsafe类中compareAndSwapInt方法也是native的。我们在来看看这个方法调用操作系统底层C++的代码:


说明:

jint *addr:主内存中的变量值

old:对象工作区域的值

new_val:将要改变的值。

这三个是不是很熟悉,对。就是CAS的三个参数。


分析第13行为什么返回false:

在11行的时候,设置主内存的变量值V=1.

在12行后,更新为V=2020了。

当执行到第13行的时候,

主内存:V=2020

程序工作区变量值jint *addr A的值:A=1

new_val:1024。

从调用C++代码我们可以分析到:


在第5行的时候,因为1!=2020,所以return 的result就是false.

所以第13行输出的是false.

思考3:atoInteger.getAndIncrement()是怎么保证数据一致性的


调用的是getAndAddInt方法。接着查看unsafe的源码,就会发现CAS保证原子性的终极代码。

CAS保证原子性终极方法,如下图:


看看:getObjectVolatile。方法发现是native.如下图:


再来看看compareAndSwapObject:


发现是native修饰的方法。说明不是Java的方法。这个我们等会再细说。

先来研究getAndSetObject:


源码:


我们来模拟:atoInteger.getAndIncrement();

假设默认值是0. 主内存的值是0

在调用getAndSetObject方法的几个参数说明:

Var1:当前atoInteger对象

Var2:当前偏移量(内存地址所在位置。如:三排四列)

Vart4:默认就是1

Var5:获取到的主内存的值

Var5+var4:将要更新的值。

从源码,我们看到是do while语句。为什么不是while语句呢?因为先要获取到主内存中变量最新的值,然后再判断。所以选用了do while语句。

我们来看看当CPU1线程1和CPU2线程B来执行的时候:


两个线程都从主内存copay了i的值到自己工作内存空间后,进行+1的操作。

假设线程1再执行+1操作后,准备往主内存回写数据的时候,CPU1被挂起。然后CPU2竞争到资源之后,也操作i+1后,将更新后的值回写到了主内存中。然后切换到CPU1了,CPU1接着执行。对比代码分析:


线程1在执行do后得到的值var5=1而不是0

然后while里面执行:var1和var2运算后的结果是0(工作区的值)。

因为0!=5 .所以this.comparAndSwapInt的值是false.

又因为前面有个! 非得符号。也就是!false。我们知道!false就是true.

也就是while(true)。While(true)后,接着循环执行。线程会放弃原有操作,重新从主内存中获取到最新数据(此时就是1了),然后再进行操作后。

又到了do,获取在主内存最新数据是1.接着走while()

因为,var1,var2获取到工作区的值是1 var5也等于1.1=1,成立了,执行var5+var5=1+1=2,来更新主内存的数据后返回true.

又因为前面有个!非的符号。所以就是while(!true),也就是while(false)。退出循环,返回var5的值。

结论:

通过上面的运行分析,我们发现atoInteger的getAndIncrement方法保证原子性是unsafe+CAS来保证变量原子性的(其中do while语句就是后面我们将要学到的自旋)

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