Java併發程式設計之CAS二原始碼追根溯源

在上一篇文章中，我們知道了什麼是CAS以及CAS的執行流程，在本篇文章中，我們將跟著原始碼一步一步的檢視CAS最底層實現原理。

本篇是《凱哥(凱哥Java:kagejava)併發程式設計學習》系列之《CAS系列》教程的第二篇：從原始碼追根溯源檢視CAS最底層是怎麼實現的。

本文主要內容：CAS追根溯源，徹底找到CAS的根在哪裡。

一：檢視AtomicInteger.compareAndSet原始碼

通過上一篇文章學習，我們知道了AtomicInteger.compareAndSet方法不加鎖可以保證原子性(其原理就是unsafe+cas實現的)，我們來看看其原始碼：

思考1：變數可見性

AtomicInteger物件(下文凱哥簡稱：atoInteger)怎麼保證變數記憶體可見性呢？

檢視原始碼：

 

思考2：為什麼上一篇13行的i.compareAndSet(1,1024)是false

我們來看看atoInteger的compareAndSet方法。凱哥在上面添加了註釋。

 

在呼叫unsafe的compareAndSwapInt這個方法的時候，unsafe是什麼？this指的是什麼？valueOffset又是什麼呢？

我們接著檢視atoInteger原始碼：

 

我們發現Unsafe以及valueOffset都是從一個物件中獲取到的。

那麼this指的是什麼？其實this就是當前atoInteger物件。

那麼Unsafe物件在哪裡呢？

 

 

 

我們想要看原始碼，怎麼檢視呢？發現不能看原始碼啊。別急，這個檔案的原始碼可以從openJdk的原始碼中查到。

接著，我們來檢視OpenJdk8的原始碼：

（PS：下載OpenJdk8原始碼凱哥這裡就不贅述了。在文章最後，凱哥給出）

下載完，解壓之後，檔案位置：openjdk\jdk\src\share\classes\sun\misc。如下圖：

 

我們來看看Unsafe類上面的註解：

 

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

什麼意思呢？用於執行底層的(low-level,)、不安全操作的方法的集合。

就是說，這個類可以直接操作底層資料的。

需要說明的是：在這個物件中大量的方法使用了native來修飾(據網友統計高達82個)

 

我們知道，Java的方法使用native關鍵字修飾的，說明這個方法不是Java自身的方法(非Java方法)，可能呼叫的是其他語言的。如C或C++語言的方法。

我們再來看看：unsafe.objectFieldOffse()中的

 

這個方法就是返回一個記憶體中訪問偏移量。

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

 

在unsafe類中compareAndSwapInt方法也是native的。我們在來看看這個方法呼叫作業系統底層C++的程式碼：

 

說明：

jint *addr：主記憶體中的變數值

old：物件工作區域的值

new_val：將要改變的值。

這三個是不是很熟悉，對。就是CAS的三個引數。

 

分析第13行為什麼返回false:

在11行的時候，設定主記憶體的變數值V=1.

在12行後，更新為V=2020了。

當執行到第13行的時候，

主記憶體：V=2020

程式工作區變數值jint *addr A的值：A=1

new_val:1024。

從呼叫C++程式碼我們可以分析到：

 

在第5行的時候，因為1！=2020，所以return 的result就是false.

所以第13行輸出的是false.

思考3：atoInteger.getAndIncrement()是怎麼保證資料一致性的

 

呼叫的是getAndAddInt方法。接著檢視unsafe的原始碼，就會發現CAS保證原子性的終極程式碼。

CAS保證原子性終極方法，如下圖：

 

看看：getObjectVolatile。方法發現是native.如下圖：

 

再來看看compareAndSwapObject：

 

發現是native修飾的方法。說明不是Java的方法。這個我們等會再細說。

先來研究getAndSetObject：

 

原始碼：

 

我們來模擬：atoInteger.getAndIncrement();

假設預設值是0. 主記憶體的值是0

在呼叫getAndSetObject方法的幾個引數說明：

Var1：當前atoInteger物件

Var2：當前偏移量(記憶體地址所在位置。如：三排四列)

Vart4：預設就是1

Var5：獲取到的主記憶體的值

Var5+var4：將要更新的值。

從原始碼，我們看到是do while語句。為什麼不是while語句呢？因為先要獲取到主記憶體中變數最新的值，然後再判斷。所以選用了do while語句。

我們來看看當CPU1執行緒1和CPU2執行緒B來執行的時候：

 

兩個執行緒都從主記憶體copay了i的值到自己工作記憶體空間後，進行+1的操作。

假設執行緒1再執行+1操作後，準備往主記憶體回寫資料的時候，CPU1被掛起。然後CPU2競爭到資源之後，也操作i+1後，將更新後的值回寫到了主記憶體中。然後切換到CPU1了，CPU1接著執行。對比程式碼分析：

 

執行緒1在執行do後得到的值var5=1而不是0

然後while裡面執行：var1和var2運算後的結果是0(工作區的值)。

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

又因為前面有個! 非得符號。也就是!false。我們知道!false就是true.

也就是while(true)。While(true)後，接著迴圈執行。執行緒會放棄原有操作，重新從主記憶體中獲取到最新資料(此時就是1了)，然後再進行操作後。

又到了do，獲取在主記憶體最新資料是1.接著走while()

因為，var1,var2獲取到工作區的值是1 var5也等於1.1=1,成立了，執行var5+var5=1+1=2，來更新主記憶體的資料後返回true.

又因為前面有個!非的符號。所以就是while(!true)，也就是while(false)。退出迴圈，返回var5的值。

結論：

通過上面的執行分析，我們發現atoInteger的getAndIncrement方法保證原子性是unsafe+CAS來保證變數原子性的(其中do while語句就是後面我們將要學到的自旋)

相關推薦