Unsafe类

一、Java中的CAS操作

在Java中，锁在并发处理中占据了一席之地，但是使用锁有一个不好的地方，就是当一个线程没有获取到锁时会被阻塞挂起，这会导致线程上下文的切换和重新调度开销。Java提供了非阻塞的volatile关键字来解决共享变量的可见性问题，这在一定程度上弥补了锁带来的开销问题，但是volatile只能保证共享变量的可见性，不能解决读—改—写等的原子性问题。CAS即Compare and Swap，其是JDK提供的非阻塞原子性操作，它通过硬件保证了比较—更新操作的原子性。JDK里面的Unsafe类提供了一系列的compareAndSwap*方法，下面以compareAndSwapLong方法为例进行简单介绍。

● boolean compareAndSwapLong（Object obj, long valueOffset, long expect, long update）方法：其中compareAndSwap的意思是比较并交换。CAS有四个操作数，分别为：对象内存位置、对象中的变量的偏移量、变量预期值和新的值。其操作含义是，如果对象obj中内存偏移量为valueOffset的变量值为expect，则使用新的值update替换旧的值expect。这是处理器提供的一个原子性指令。

关于CAS操作有个经典的ABA问题，具体如下：假如线程I使用CAS修改初始值为A的变量X，那么线程I会首先去获取当前变量X的值（为A），然后使用CAS操作尝试修改X的值为B，如果使用CAS操作成功了，那么程序运行一定是正确的吗？其实未必，这是因为有可能在线程I获取变量X的值A后，在执行CAS前，线程II使用CAS修改了变量X的值为B，然后又使用CAS修改了变量X的值为A。所以虽然线程I执行CAS时X的值是A，但是这个A已经不是线程I获取时的A了。这就是ABA问题。

二、Unsafe类中的重要方法

JDK的rt.jar包中的Unsafe类提供了硬件级别的原子性操作，Unsafe类中的方法都是native方法，它们使用JNI的方式访问本地C++ 实现库。下面我们来了解一下Unsafe提供的几个主要的方法以及编程时如何使用Unsafe类做一些事情。

● long objectFieldOffset（Field field）方法：返回指定的变量在所属类中的内存偏移地址，该偏移地址仅仅在该Unsafe函数中访问指定字段时使用。如下代码使用Unsafe类获取变量value在AtomicLong对象中的内存偏移。

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

● int arrayBaseOffset（Class arrayClass）方法：获取数组中第一个元素的地址。● int arrayIndexScale（Class arrayClass）方法：获取数组中一个元素占用的字节。

● boolean compareAndSwapLong（Object obj, long offset, long expect, long update）方法：比较对象obj中偏移量为offset的变量的值是否与expect相等，相等则使用update值更新，然后返回true，否则返回false。

● public native long getLongvolatile（Object obj, long offset）方法：获取对象obj中偏移量为offset的变量对应volatile语义的值。

● void putLongvolatile（Object obj, long offset, long value）方法：设置obj对象中offset偏移的类型为long的field的值为value，支持volatile语义。

● void putOrderedLong（Object obj, long offset, long value）方法：设置obj对象中offset偏移地址对应的long型field的值为value。这是一个有延迟的putLongvolatile方法，并且不保证值修改对其他线程立刻可见。只有在变量使用volatile修饰并且预计会被意外修改时才使用该方法。

● void park（boolean isAbsolute, long time）方法：阻塞当前线程，其中参数isAbsolute等于false且time等于0表示一直阻塞。time大于0表示等待指定的time后阻塞线程会被唤醒，这个time是个相对值，是个增量值，也就是相对当前时间累加time后当前线程就会被唤醒。如果isAbsolute等于true，并且time大于0，则表示阻塞的线程到指定的时间点后会被唤醒，这里time是个绝对时间，是将某个时间点换算为ms后的值。另外，当其他线程调用了当前阻塞线程的interrupt方法而中断了当前线程时，当前线程也会返回，而当其他线程调用了unPark方法并且把当前线程作为参数时当前线程也会返回。

● void unpark（Object thread）方法：唤醒调用park后阻塞的线程。

三、如何使用Unsafe类

public class TestUnSafe {
    static final     Unsafe unsafe;
    static final     long   stateOffset;
    private volatile long   state = 0;

    static {
        try {
            //使用反射获取Unsafe的成员变量theUnsafe
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            // 设置为可存取
            field.setAccessible(true);
            // 获取该变量的值
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
            //获取state在TestUnSafe中的偏移量
            stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(TestUnSafe.class.
                    getDeclaredField("state"));
        } catch (Exception ex) {
            System.out.println(ex.getLocalizedMessage());
            throw new Error(ex);
        }
    }

    public static void main(String[] args) {
        //创建实例，并且设置state值为
        TestUnSafe test = new TestUnSafe();
        //(2.2.6)
        Boolean sucess = unsafe.compareAndSwapInt(test, stateOffset, 0, 1);
        System.out.println(sucess);
        System.out.println(stateOffset);
    }
}

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