CAS(compareAndSwap)原理

最新推荐文章于 2025-04-28 16:15:50 发布

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原文链接：https://juejin.im/post/5c0379026fb9a049a62c52b0

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#操作系统 #java

本文详细解析了Unsafe类中CAS操作的实现原理，包括compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong方法的底层机制，展示了不同操作系统下如Windows和Linux的实现差异，并讨论了CAS操作的优缺点。

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unsafe中对应拥有三个方法 compareAndSwapObject ,compareAndSwapInt和compareAndSwapLong ，他们都被标记为native

compareAndSwapObject

它的核心实现为

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

实现核心如下

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);
  }
}
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UseCompressedOops: 32位平台运行的程序在64位上会占用更大的长度，可以使用 -XX:+UserCompressedOops压缩指针，达到节约内存的目的。

compareAndSwapInt

核心代码如下

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

核心代码如下

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;
}
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supports_cx8:判断硬件是不是支持8-byte compare-exchange ， x86架构中通过cpuid指令来获取是否试支持，CMPXCHG8指令；SPARC架构也是看 (_features & v9_instructions_m)指令的支持情况

Atomic::cmpxchg

无论是那个调用，最终都归结到了Atomic上，Atomic.hpp中函数声明如下

//比较当前的值和目的地址的值，如果比较成功，就把目的地址的值更改为exchange_value，并返回原来存的值
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);
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从Atomic.cpp可以看到在不同的操作系统中有不同的实现在 windows_x86中，一种实现如下

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
  }
}
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linux_x86中，实现如下

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;
}
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可以看到最终都是使用操作系统对应的指令来完成

都在哪儿用了

可以看到 Atomic的实现就是用的CAS，比如 AtomicInteger的 incrementAndGet

public final int incrementAndGet() {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + 1;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}
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这种一直循环的操作也称作自旋