为什么Java不安全的CAS（getAndAddInt）比手工编写的代码快

Question

我手动编写了cas代码(compare_and_set的while循环），而不是直接调用unsafe.getandAddInt方法。但是当我使用jmh来测试性能时，虽然我编写的代码只是unsafe方法源代码的拷贝，但是性能损失很大。谁能帮助我是什么造成了这么大的不同？提前道谢。

jmh结果为：

Benchmark              Mode  Cnt  Score   Error  Units
CASTest.casTest        avgt       0.047          us/op
CASTest.manualCasTest  avgt       0.137          us/op  

源代码是：

package org.sample;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.TimeUnit;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
import org.openjdk.jmh.annotations.Benchmark;
import org.openjdk.jmh.annotations.BenchmarkMode;
import org.openjdk.jmh.annotations.Fork;
import org.openjdk.jmh.annotations.Measurement;
import org.openjdk.jmh.annotations.Mode;
import org.openjdk.jmh.annotations.OutputTimeUnit;
import org.openjdk.jmh.annotations.Scope;
import org.openjdk.jmh.annotations.State;
import org.openjdk.jmh.annotations.Threads;
import org.openjdk.jmh.annotations.Warmup;
import org.openjdk.jmh.infra.Blackhole;
import org.openjdk.jmh.runner.Runner;
import org.openjdk.jmh.runner.RunnerException;
import org.openjdk.jmh.runner.options.Options;
import org.openjdk.jmh.runner.options.OptionsBuilder;
import sun.misc.Unsafe;

/**
 * @author Isaac Gao
 * @Date 2020/2/20
 */
@BenchmarkMode(Mode.AverageTime)
@OutputTimeUnit(TimeUnit.MICROSECONDS)
@State(Scope.Benchmark)
@Threads(2)
@Measurement(iterations = 1, time = 1, timeUnit = TimeUnit.SECONDS)
@Warmup(iterations = 2, time = 1)
@Fork(1)
public class CASTest {

  private static Unsafe getUnsafe() {
    try {
      final Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

      unsafeField.setAccessible(true);
      return (Unsafe) unsafeField.get(null);
    } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) {
      e.printStackTrace();
    }
    return null;
  }
  private static final Unsafe unsafe = getUnsafe();

  private static final long valueOffset;
  static {
    try {
      valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
          (CASTest.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
  }

  private volatile  int value;

  @Benchmark
  public void manualCasTest(Blackhole bh) {
    int andAddIntManually = getAndAddIntManually(this, valueOffset, 1);
    bh.consume(andAddIntManually);
  }

  @Benchmark
  public void casTest(Blackhole  bh) {
    int andAddInt = unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
    bh.consume(andAddInt);
  }

  public final int getAndAddIntManually(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
      v = unsafe.getIntVolatile(o, offset);
    } while (!unsafe.compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    return v;
  }

  public static void main(String[] args) throws RunnerException {
    Options opt = new OptionsBuilder()
        .include(CASTest.class.getSimpleName())
        .build();
    new Runner(opt).run();
  }
}

Answer 1

执行的代码不一定与您在源代码中看到的相匹配。在运行JDK代码时Java JIT作弊吗？

众所周知的方法可能会被特殊的实现所取代，不管原始声明是native还是纯Java实现。请参见JVM源代码中的“intrinsify”是什么意思？

当我们查看JVM源文件vmsymbols.hpp的第1031行时，我们将看到sun.misc.unsafe.getandAddInt是JVM已知的。

您可以使用
-xx:compileCommand=print,castest.castest-xx:compileCommand=print,castest.manualcastest
检查得到的本机代码（通常这是评估基准结果的好方法）。

在X64上，您将看到manualcastest将按照您编写的那样进行编译，一个围绕
lock cmpxchg dword ptr[rsi],ebx指令的循环，而castest包含一个不需要循环的
lock xadd dword ptr[rdx+0ch],r8d指令（细节可能会有所不同）。