Java 9 变量句柄-VarHandle

Java 9发布的新特性除了最主要的模块化之外，在API方面也为开发者们带来了很多有用的特性，本篇我们来探讨一下java 9提供的新的API-VarHandle 对 memory order 的支持。在开始本篇之前，你需要对JMM（Java 内存模型）有一定的认知。

VarHandle 的必要性

随着Java中的并发和并行编程的不断扩大，我们经常会需要对某个类的字段进行原子或有序操作，但是 JVM 对Java开发者所开放的权限非常有限。例如：如果要原子性地增加某个字段的值，到目前为止我们可以使用下面三种方式：

• 使用AtomicInteger来达到这种效果，这种间接管理方式增加了空间开销，还会导致额外的并发问题；
• 使用原子性的FieldUpdaters，利用了反射机制，操作开销也会更大；
• 使用sun.misc.Unsafe提供的JVM内置函数API，虽然这种方式比较快，但它会损害安全性和可移植性。

在 VarHandle 出现之前，这些潜在的问题会随着原子API的不断扩大而越来越遭。VarHandle 的出现替代了 java.util.concurrent.atomic 和 sun.misc.Unsafe 的部分操作。并且提供了一系列标准的内存屏障操作，用于更加细粒度的控制内存排序。在安全性、可用性、性能上都要优于现有的API。VarHandle 可以与任何字段、数组元素或静态变量关联，支持在不同访问模型下对这些类型变量的访问，包括简单的 read/write 访问，volatile 类型的 read/write 访问，和 CAS(compare-and-swap)等。

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创建VarHandle

VarHandle通过MethodHandles的相关函数方法创建，下面演示了非静态变量和数组的获取方式：

public class VarhandleFoo {
    volatile int x;
    private Point[] points;

    private static final VarHandle QA;//for arrays
    private static final VarHandle X;//for Variables
    static {
        try {
            QA =  MethodHandles.arrayElementVarHandle(Point[].class);
            X = MethodHandles.lookup().
                    findVarHandle(Point.class, "x", int.class); //or
            //X = MethodHandles.lookup().in(Point.class).findVarHandle(Point.class, "x", int.class);
        } catch (ReflectiveOperationException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    class Point {
        // ...
    }
}

Lookup

Lookup是MethodHandles的内部类，位于java.lang.invoke包中，它是一个用于创建方法和变量句柄的工厂。与我们熟知的核心反射API不同的是，核心反射API在每一次方法被调用时都会进行访问检查，而通过Lookup创建的方法句柄的访问检查是在它被创建时进行的。通过Lookup提供的工厂方法，我们可以访问对象的任何方法、构造函数和参数变量。由工厂方法创建的每个方法句柄都等同于方法的字节码行为（bytecode behavior），也就是说，JVM调用方法句柄与执行和方法句柄相关的字节码行为一致。（有关Lookup的更详细介绍，请参阅官方API-MethodHandles.Lookup）

Lookup在Java 9中对变量访问也添加了相应的工厂方法，用于生成变量句柄-VarHandle：

• findVarHandle：用于创建对象中非静态字段的VarHandle。接收参数有三个，第一个为接收者的class对象，第二个是字段名称，第三个是字段类型。
• findStaticVarHandle：用于创建对象中静态字段的VarHandle。接收参数与findVarHandle一致。
• unreflectVarHandle：通过反射字段Field创建VarHandle。

获取VarHandle后，接下来就是对变量的访问，下面列举了几种简单的访问形式：

//plain read
int x = (int) X.get(this);
Point p = (Point) QA.get(points,10);

//plain write
X.set(this,1);
QA.set(points,10,new Point());

//CAS
X.compareAndSet(this,0,1);
QA.compareAndSet(points,10,p,new Point());

//Numeric Atomic Update
X.getAndAdd(this,10);

VarHandle中的每个方法都被称为**“access mode method”**，方法所接收的参数都是一个协调表达式，首个参数用来指示被访问变量的对象，后续参数表示当前访问模式的操作所需要的值。例如，CAS方法需要两个后续参数：预期值和新值。

内存排序影响

访问模式控制着原子性和一致性属性，对于大多数方法来说，有以下几种内存排序效果：

• 对于引用类型和32位以内的原始类型，read和write(get、set)都可以保证原子性，并且对于执行线程以外的线程不施加可观察的排序约束。
• 不透明属性：访问相同变量时，不透明操作按原子顺序排列。
• Acquire模式的读取总是在与它对应的Release模式的写入之后。
• 所有Volatile变量的操作相互之间都是有序的。

需要特别注意的是，access mode将覆盖在变量声明时指定的任何内存排序效果。 例如，一个VarHandle使用 get 模式访问一个字段时，即使这个字段已经被声明为volatile，也会把这个字段当做方法指定的访问模式进行访问。因此使用时要非常小心。

内存屏障

VarHandle除了支持在各种访问模式下访问变量之外，还提供了一组内存屏障方法，为内存排序提供更细粒度的控制。主要有以下几个方法：

public static void fullFence() {
    UNSAFE.fullFence();
}
public static void acquireFence() {
    UNSAFE.loadFence();
}
public static void releaseFence() {
    UNSAFE.storeFence();
}
public static void loadLoadFence() {
    UNSAFE.loadLoadFence();
}
public static void storeStoreFence() {
    UNSAFE.storeStoreFence();
}

本质上来看，这些内存屏障都是通过Unsafe类的fullFence、loadFence和storeFence来实现，关于Unsafe，大家可以参考笔者的另外一篇文章：JUC源码分析—CAS和Unsafe。

小结

从java9开始，在java.util.concurrent包中对变量的同步访问基本上都由Unsafe改为VarHandle，有关VarHandle的更多详细使用规则，请参考JUC源码。