Java CAS 原理分析，聊一聊MySQL数据库中的那些锁

2023-07-20 11:29:52


`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);

}`

上面的分析看起来比较多，不过主流程并不复杂。如果不纠结于代码细节，还是比较容易看懂的。接下来，我会分析 Windows 平台下的 Atomic::cmpxchg 函数。继续往下看吧。


`// atomic_windows_x86.inline.hpp

#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

  }

}`

上面的代码由 LOCK_IF_MP 预编译标识符和 cmpxchg 函数组成。为了看到更清楚一些，我们将 cmpxchg 函数中的 LOCK_IF_MP 替换为实际内容。如下：


`inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {

  // 判断是否是多核 CPU

  int mp = os::is_MP();

  __asm {

    // 将参数值放入寄存器中

    mov edx, dest    // 注意: dest 是指针类型，这里是把内存地址存入 edx 寄存器中

    mov ecx, exchange_value

    mov eax, compare_value

    

    // LOCK_IF_MP

    cmp mp, 0

    /*  * 如果 mp = 0，表明是线程运行在单核 CPU 环境下。此时 je 会跳转到 L0 标记处，  * 也就是越过 _emit 0xF0 指令，直接执行 cmpxchg 指令。也就是不在下面的 cmpxchg 指令  * 前加 lock 前缀。  */

    je L0

    /*  * 0xF0 是 lock 前缀的机器码，这里没有使用 lock，而是直接使用了机器码的形式。至于这样做的  * 原因可以参考知乎的一个回答：  *     https://www.zhihu.com/question/50878124/answer/123099923  */ 

    _emit 0xF0

L0:

    /*  * 比较并交换。简单解释一下下面这条指令，熟悉汇编的朋友可以略过下面的解释:  *   cmpxchg: 即“比较并交换”指令  *   dword: 全称是 double word，在 x86/x64 体系中，一个  *          word = 2 byte，dword = 4 byte = 32 bit  *   ptr: 全称是 pointer，与前面的 dword 连起来使用，表明访问的内存单元是一个双字单元  *   [edx]: [...] 表示一个内存单元，edx 是寄存器，dest 指针值存放在 edx 中。  *          那么 [edx] 表示内存地址为 dest 的内存单元  *  * 这一条指令的意思就是，将 eax 寄存器中的值（compare_value）与 [edx] 双字内存单元中的值  * 进行对比，如果相同，则将 ecx 寄存器中的值（exchange_value）存入 [edx] 内存单元中。  */

    cmpxchg dword ptr [edx], ecx

  }

}`

到这里 CAS 的实现过程就讲完了，CAS 的实现离不开处理器的支持。以上这么多代码，其实核心代码就是一条带lock 前缀的 cmpxchg 指令，即lock cmpxchg dword ptr [edx], ecx。

4.ABA 问题

谈到 CAS，基本上都要谈一下 CAS 的 ABA 问题。CAS 由三个步骤组成，分别是“读取->比较->写回”。考虑这样一种情况，线程1和线程2同时执行 CAS 逻辑，两个线程的执行顺序如下：