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)