Java多线程：Unsafe 类以及 CAS 函数

前言

学习了前面那么多原子更新类，我们从它们的底层代码中看出，每个类中都通过 Unsafe.getUnnsafe() 方法来获取到了一个 Unsafe 的实例，并且更新类中的大部分方法底层都是通过调用 Unsafe 类的方法来实现的，当你想看这些 Unsafe 中方法的具体实现时，你会发现它们全是本地方法（native）。那么这个类到底为我们做了什么呢？

Unsafe 类

Java最初被设计为一种安全的受控环境，它无法直接访问到操作系统底层（如系统硬件等)，为此Java使用native方法来扩展Java程序的功能。

这个类是用于执行低级别、不安全操作的方法集合。尽管这个类和所有的方法都是公开的（public），但是这个类的使用仍然受限，你无法在自己的java程序中直接使用该类，因为只有授信的代码（jre中）才能获得该类的实例。（通过反射还是可以获得Unsafe的实例）

 

它主要提供了如下几个功能：

1. 通过 Unsafe 类可以分配内存，可以释放内存。

类中提供的3个本地方法allocateMemory、reallocateMemory、freeMemory分别用于分配内存，扩充内存和释放内存，与C语言中的3个方法对应。

 

2. 可以定位对象某字段的内存位置，也可以修改对象的字段值，即使它是私有的。

字段的定位：

JAVA中对象的字段的定位可能通过staticFieldOffset方法实现，该方法返回给定field的内存地址偏移量，这个值对于给定的filed是唯一的且是固定不变的。

getIntVolatile方法获取对象中offset偏移地址对应的整型field的值,支持volatile load语义。

getLong方法获取对象中offset偏移地址对应的long型field的值

数组元素定位：

Unsafe类中有很多以BASE_OFFSET结尾的常量，比如ARRAY_INT_BASE_OFFSET，ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET等，这些常量值是通过arrayBaseOffset方法得到的。arrayBaseOffset方法是一个本地方法，可以获取数组第一个元素的偏移地址。Unsafe类中还有很多以INDEX_SCALE结尾的常量，比如 ARRAY_INT_INDEX_SCALE ， ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE等，这些常量值是通过arrayIndexScale方法得到的。arrayIndexScale方法也是一个本地方法，可以获取数组的转换因子，也就是数组中元素的增量地址。将arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合使用，可以定位数组中每个元素在内存中的位置。

public final class Unsafe {
    public static final int ARRAY_INT_BASE_OFFSET;
    public static final int ARRAY_INT_INDEX_SCALE;

    /**
     * 返回指定静态field的内存地址偏移量,在这个类的其他方法中这个值只是被用作一个访问
     * 特定field的一个方式。这个值对于 给定的field是唯一的，并且后续对该方法的调用都应该返回相同的值。
     * @param field 需要返回偏移量的field
     * @return 指定field的偏移量
     */
    public native long objectFieldOffset(Field field);

    /**
     * 设置obj对象中offset偏移地址对应的整型field的值为指定值。支持volatile store语义
     * @param obj 包含需要去读取的field的对象
     * @return offset obj中整型field的偏移量
     *
     */
    public native int getIntVolatile(Object obj, long offset);

    /**
     * 获取obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值
     * @param obj 包含需要去读取的field的对象
     * @param offset object中long型field的偏移量
     */
    public native long getLong(Object obj, long offset);

    /**
     * 获取给定数组中第一个元素的偏移地址。
     * 为了存取数组中的元素，这个偏移地址与arrayIndexScale方法的非0返回值一起被使用
     * @param arrayClass  第一个元素地址被获取的class
     * @return 数组第一个元素 的偏移地址
     */
    public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass);

    /**
     * 获取用户给定数组寻址的换算因子.一个合适的换算因子不能返回的时候(例如：基本类型),
     * 返回0.这个返回值能够与arrayBaseOffset一起使用去存取这个数组class中的元素
     * @param arrayClass
     */
    public native int arrayIndexScale(Class arrayClass);

    static 
    {
        ARRAY_INT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset([I);
        ARRAY_INT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale([I);
    }
}

 

3. 挂起和恢复

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本park方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。

 

4. CAS操作

  CAS 指的是现代 CPU 广泛支持的一种对内存中的共享数据进行操作的一种特殊指令。这个指令会对内存中的共享数据做原子的读写操作。简单介绍一下这个指令的操作过程：首先，CPU 会将内存中将要被更改的数据与期望的值做比较。然后，当这两个值相等时，CPU 才会将内存中的数值替换为新的值。否则便不做操作。最后，CPU 会将旧的数值返回。这一系列的操作是原子的。它们虽然看似复杂，但却是 Java 5 并发机制优于原有锁机制的根本。简单来说，CAS 的含义是“我认为原有的值应该是什么，如果是，则将原有的值更新为新值，否则不做修改，并告诉我原来的值是多少”。

是通过compareAndSwapXXX方法实现的

/**
* 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新。此更新是不可中断的。
* 
* @param obj 需要更新的对象
* @param offset obj中整型field的偏移量
* @param expect 希望field中存在的值
* @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
* @return 如果field的值被更改返回true
*/
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

CAS 操作包含三个操作数 —— 内存位置（V）、预期原值（A）和新值(B)。如果内存位置的值与预期原值相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值。否则，处理器不做任何操作。无论哪种情况，它都会在 CAS 指令之前返回该位置的值。CAS 有效地说明了“我认为位置 V 应该包含值 A；如果包含该值，则将 B 放到这个位置；否则，不要更改该位置，只告诉我这个位置现在的值即可。” Java并发包(java.util.concurrent)中大量使用了CAS操作，涉及到并发的地方都调用了sun.misc.Unsafe类方法进行CAS操作。

这里可以举个例子来说明compareAndSet的作用，如支持并发的计数器，在进行计数的时候，首先读取当前的值，假设值为a，对当前值 + 1得到b，但是+1操作完以后，并不能直接修改原值为b，因为在进行+1操作的过程中，可能会有其它线程已经对原值进行了修改，所以在更新之前需要判断原值是不是等于a，如果不等于a，说明有其它线程修改了，需要重新读取更新后的值进行操作，如果等于a，说明在+1的操作过程中，没有其它线程来修改值，我们就可以放心的更新原值了。

 

参考资料：

Java中Unsafe类详解

《Java并发编程实践》