为什么Java Unsafe CAS（getAndAddInt）比手动编写的代码要快

Question

我通过手动而不是直接调用Unsafe.getAndAddInt方法编写了cas代码（compare_and_set的while循环）。但是，当我使用jmh测试性能时，尽管我编写的代码与Unsafe方法的源代码副本相同，但它却显示出很大的性能损失。谁能帮助我，与众不同？预先感谢。

jmh结果是：

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

源代码为：

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代码匹配。在Does Java JIT cheat when running JDK code?]中已经讨论了复制粘贴代码的类似不匹配性能。

众所周知的方法可能会被特殊的实现代替，无论原始声明是native还是具有纯Java实现。另请参见What does 'intrinsify' mean in the JVM source code?

[当我们查看JVM源文件vmSymbols.hpp, line 1031时，我们将看到vmSymbols.hpp是JVM已知的。

您可以使用sun.misc.Unsafe.getAndAddInt-XX:CompileCommand=print,CASTest.casTest检查生成的本机代码（通常是评估基准测试结果的一个好主意）。

在X64上，您会看到-XX:CompileCommand=print,CASTest.manualCasTest会像您编写的一样被编译，一个循环围绕一个manualCasTest指令，而lock cmpxchg dword ptr [rsi],ebx承载单个循环casTest指令（细节可能有所不同）。