JUC源码分析2-原子变量-AtomicIntegerArray/AtomicLongArray/AtomicReferenceArray

Posted 2022-06-14 熊猫小牛牛

JUC针对数组元素的原子封装，先看AtomicIntegerArray。

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
//arrayBaseOffset获取数组首个元素地址偏移
private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
//shift就是数组元素的偏移量
private static final int shift;
private final int[] array;

static 
//scale数组元素的增量偏移
    int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
//对于int型数组，scale是4，用二进制&操作判断是否是2的倍数，这个判断nb    
    if ((scale & (scale - 1)) != 0)
        throw new Error("data type scale not a power of two");
//这里是处理int型的偏移量，shift是2        
    shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

/**
计算数组中元素的地址
*/
private long checkedByteOffset(int i) 
    if (i < 0 || i >= array.length)
        throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);

    return byteOffset(i);

/**
计算数组中元素的地址，首地址偏移+每个元素的偏移，采用了移位操作，没想过还可以用，佩服
*/
private static long byteOffset(int i) 
    return ((long) i << shift) + base;

为了说明unsafe对数组的操作，举个栗子：

public class UnsafeTest 

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, SecurityException, IllegalArgumentException, IllegalAccessException 
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        
        int[] a = new int[]1,2,5;
        //int[]首个元素的偏移
        int arrayBaseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(a.getClass());
        //数组中元素的增量偏移
        int arrayIndexScale = unsafe.arrayIndexScale(a.getClass());
        System.out.println(arrayBaseOffset);
        System.out.println(arrayIndexScale);
        //通过首地址的偏移+增量偏移，获取数组元素值
        System.out.println(unsafe.getIntVolatile(a, arrayBaseOffset+arrayIndexScale));
    

源码里面对于增量偏移使用了移位操作，这步处理没看源码前还真是没想到

假设数组首地址14，int型，每个4个字节，所以取第0个元素地址就是，14+（0*4），第2个元素14+（1*4），第i个地址为14+(i*4)，采用移位的话就是（4的2进制是2）14+（i<<2），对于AtomicLongArray取数组元素就是首地址+(i<<3)。对于AtomicInteger取元素地址就是base+(index<<scale)。

看下AtomicIntegerArray的构造函数

    public AtomicIntegerArray(int[] array) 
        // Visibility guaranteed by final field guarantees
        this.array = array.clone();
    

这里有个说明，采用final来保证数组的可见性，看到这里的时候，郁闷，以前final的使用，重来没想过什么可见性问题，直接用就是了，只好百度，http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-6/这里对于final的可见性有详细说明，也是通过加内存屏障来实现。最重要一句： JSR-133专家组增强了final的语义。通过为final域增加写和读重排序规则，可以为java程序员提供初始化安全保证：只要对象是正确构造的（被构造对象的引用在构造函数中没有“逸出”），那么不需要使用同步（指lock和volatile的使用），就可以保证任意线程都能看到这个final域在构造函数中被初始化之后的值。

看下AtomicIntegerArray的一些方法：

public final int get(int i) 
    return getRaw(checkedByteOffset(i));

/**
通过unsafe.getIntVolatile这个保证volatile语义，
感觉意思应该是可以当场volatile变量使用
 */
private int getRaw(long offset) 
    return unsafe.getIntVolatile(array, offset);


/**
unsafe.putIntVolatile保证volatile语义
 */
public final void set(int i, int newValue) 
    unsafe.putIntVolatile(array, checkedByteOffset(i), newValue);


/**
unsafe.putOrderedInt这个前面一文提过，
去掉了storeLoad内存屏障，只有storestore屏障，只保证修改成功，不保证修改后其他处理器立即就可以看到
 */
public final void lazySet(int i, int newValue) 
    unsafe.putOrderedInt(array, checkedByteOffset(i), newValue);

/**
这里是通过while循环来实现最终设置成功
 */
public final int getAndSet(int i, int newValue) 
    long offset = checkedByteOffset(i);
    while (true) 
        int current = getRaw(offset);
        if (compareAndSetRaw(offset, current, newValue))
            return current;
    

/**
对于数组的cas，只是多了个先取地址的操作，其他还是底层的unsafe
 */
public final boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) 
    return compareAndSetRaw(checkedByteOffset(i), expect, update);

private boolean compareAndSetRaw(long offset, int expect, int update) 
    return unsafe.compareAndSwapInt(array, offset, expect, update);

跟之前的AtomicInteger没太多区别，只是需要对于传入的i需要先判断在数组length范围内，再转换成内存地址。类中其他方法类同。

AtomicLongArray跟AtomicIntegerArray类同。

AtomicReferenceArray多了个arrayFieldOffset，用来在从stream读数组设置到array内存偏移地址。

参考：

http://www.infoq.com/cn/articles/java-memory-model-6/ final关键字的可见性

http://brokendreams.iteye.com/blog/2250117