JEP解读与尝鲜系列4 - Java 16 中对于 Project Valhalla 的铺垫

Posted 2022-02-03 干货满满张哈希

这是 JEP 解读与尝鲜系列的第 4 篇，之前的文章如下：

• JEP解读与尝鲜系列 1 - Java Valhalla与Java Inline class
• JEP解读与尝鲜系列 2 - JEP 142 缓存行填充简化
• JEP解读与尝鲜系列 3 - Project Loom 使用虚线程进行同步网络 IO 不阻塞的底层原理

在系列之前的第一篇文章 - JEP 解读与尝鲜系列 1 - Java Valhalla 与 Java Inline class 中，我介绍了 Project Valhalla 项目中的核心 Java Inline Class，总结起来其实就是 Java 中的值类型。Java 中目前只有类对象，没有值类型的对象。普通的类对象有对象头，因此这种对象可以用来做同步锁，可以使用它的 wait() notify() 等方法实现阻塞同步，同时这些对象需要在堆上面分配，通过 JVM GC 进行内存回收。并且这种对象的数组，只有数组本身是内存连续的，上面引用的对象并不是：

Project Valhalla 提出并设计实现了 Java 的值类型，去掉了对象头，只存储它其中的值。这样减少了这种对象占用的空间，但是也让这种对象无法使用对象的 sychronization 同步，同时也失去了 对于**wait() notify()**这些方法的支持。同时这种对象期望是可以直接在栈上直接分配的，不用像普通对象一样需要在堆上分配，和原始类型例如 int 一样。同时这种对象的数组，期望在内存中数组的每个对象内存都是连续的：

这样也节省了指针的存储空间。

但是这些目前还是在设计实现中，并不是最终的实现模型，但是可以看出其中的趋势。

为了能使 Project Valhalla 最终落地实现，我们先要对 JDK 的一些元素做兼容。

JDK 中的哪些类和值类型相关

首先，最先想到的就是 Java 的原始类型对应的封装类型，例如 java.lang.Integer。原始类型是可以也是需要改造成 Java 值类型的，但是需要避免项目中使用了 Integer 对象的 wait() notify(), notifyAll() 方法，或者将这个作为 synchronization 的对象。

然后想到的就是原子类，例如 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger。其实在 Java 9 之后的 JMM 模型中实现了更细粒度的访问控制，例如：

private int locked = 0;
private static final VarHandle LOCKED;
//操作 locked 的句柄
static 
	try 
		//初始化句柄
		LOCKED = MethodHandles.lookup().findVarHandle(当前类.class, "locked", int.class);
	 catch (Exception e) 
		throw new Error(e);
	


//原子操作
LOCKED.compareAndSet(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSet(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSetAcquire(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSetPlain(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSetRelease(this, 1, 0);

然后还有在 Java 11 的官方文档中提出的 Value-based Classes，参考：Java
11 Value-based Classes，Java 11 中的定义是：像是 java.util.Optional 和 java.time.LocalDateTime 这种类就是 Value-based Classes，这种类的实例：

• 本身是不可变的，虽然内部的值引用指向的是一个可变对象
• 实现了 equals，hashCode 和 toString 方法，并且基于它包含的值实现，而不是基于他的 identity （例如对象基址）并且也不是基于其他对象的状态。
• 不会使用 identity-sensitive 的操作，例如通过 == 对比两个实例的相等，使用默认的基于对象基址的 hashcode 实现（例如调用 System.identityHashCode(对象)），以及作为 synchronization 的对象
• 只通过 equals 对比对象相等，而不是 ==
• 没有可访问的构造函数，而是通过工厂方法实例化，这些方法对返回的实例的 identity 不做任何保证，即这个返回对象的地址我们无法通过对于工厂方法的传参确定;
• equals 相等的两个对象，需要有完全相同的行为

这种 Value-based Classes 其实就与 Java 值类型的特征非常一致。于是，从 Java 16 开始，将 Value-based Classes 的定义进行了扩展，并且对它们的使用进行了报警限制，提示未来这些类型，不再使用普通类实现，而是使用 Project Valhalla 的 Java 值类型实现。

JEP 390: Warnings for Value-Based Classes

在 Java 16 中，为了给 Project Valhalla 的这一特性进行铺路，引入了一个 JEP：JEP 390: Warnings for Value-Based Classes

在最新的 Value-based Classes 的定义中（参考：https://docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/api/java.base/java/lang/doc-files/ValueBased.html ），将原始类型的封装类，例如 java.lang.Integer 也纳入了这一类的定义范畴。并在此基础上，增加两个说明：

1.非常不建议使用这一类的对象作为同步参数，例如 synchronize(obj)，无法保证这个锁拥有者是谁以及是否是独占的。

这个问题倒不是因为以后要换值类型无法同步导致的，而是容易犯这种编程失误：

Integer i = 1;

for (int j = 0; j < 10; j++) 
    synchronized(i) 
        i++; //下次循环就变成另一个对象了，没有真正按照预期锁住
    

2.使用 identity 相关的操作可能未来会发生变化，所以不建议使用，例如：

• 调用 System.identityHashCode(对象) 获取基于对象在堆内存地址实现的哈希码，如果 Value-based Classes 变成值类型，值类型确定在栈上分配后，这个方法目前的机制就会有问题。
• 调用 synchronize(obj) 同步对象，如果 Value-based Classes 变成值类型，没有普通对象的对象头，那么无法使用正常的锁膨胀同步机制，同时重量锁 mutex 由于可能值类型对象没有堆上位置也无法使用现有的机制实现。
• 调用对象的 wait()，notify()，notifyAll()，由于上一条同样的影响，这些方法调用可能在未来版本带来异常。

在 Java 16 之后，如果有这些用法，就会在编译阶段有报警提醒：

Integer integer = 1;
synchronized (integer) 
    

编译阶段会提示 Attempt to synchronize on an instance of a value-based class，如果想关闭可以增加编译参数 -Xlint:synchronization

如果想在运行阶段针对这种使用有提示或者错误，可以通过添加如下启动参数实现：

• -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:DiagnoseSyncOnValueBasedClasses=1：加上这个，程序遇到这种使用，会抛出 FATAL ERROR，同时退出 JVM
• -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:DiagnoseSyncOnValueBasedClasses=2：加上这个，程序遇到这种使用，会有日志提示：

[0.152s][info][valuebasedclasses] Synchronizing on object 0x000000069aed7788 of klass java.lang.Integer
[0.152s][info][valuebasedclasses] 	at com.github.hashjang.shenandoah.Main.main(Main.java:8)
[0.152s][info][valuebasedclasses] 	- locked <0x000000069aed7788> (a java.lang.Integer)

同样的，由于原始类型包装类已经属于 Value-based Class，所以就不应该使用它的构造器而是使用 valueOf() 代替了，为了给大家修改的时间，目前仅仅是将构造器标记为 Deprecate for Removal ：

@Deprecated(since="9", forRemoval = true)
public Integer(int value) 
    this.value = value;

如果有使用会提示 'Integer(int)' is deprecated and marked for removal。

目前 JDK 中的未来可能会用值类型代替的 Value-based Classes

目前 JDK 中的 Value-based Classes 都带有 jdk.internal.ValueBased 注解，或者他们的实现接口，父类带有这个注解，包括：

• java.lang 包：
  • 原始类型的封装类，例如 java.lang.Integer
  • java.lang.Runtime.Version 类
  • 操作系统进程的句柄 java.lang.ProcessHandle 和他的实现类 java.lang.ProcessHandleImpl
• java.time 包下的一些时间封装类
• java.util 包：
  • Optional 相关，例如：java.util.Optional, java.util.OptionalInt, java.util.OptionalLong, java.util.OptionalDouble
  • 所有不可变集合以及底层实现的不可变元素，例如：Set.of 的返回 java.util.ImmutableCollections.AbstractImmutableSet

一点趣事儿

Java 16 的 Record 还让我闹了个笑话，我以为这个是 Project Valhala 的 Inline Object 已经实现了，还去 StackOverflow 问，这个 Record 为啥能有 wait() 方法，并且可以进行 synchronized 同步（因为如果是 Project Valhala 的 Inline Object 的话是没有普通类的对象头的，没法用普通类对象的方法实现同步），结果。。。。。最后还是 Goetz 大佬一眼就看出我是误会了：

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