Java Review - 并发编程_Unsafe

Posted 2022-02-07 小小工匠

文章目录

• Unsafe
• Unsafe 提供的几个主要的方法
• • long objectFieldOffset(Field field)
  • int arrayBaseOffset(Class arrayClass)
  • int arrayIndexScale(Class arrayClass)
  • boolean compareAndSwapLong(Object obj， long offset， long expect， long update)
  • public native long getLongvolatile(Object obj， long offset)
  • void putLongvolatile(Object obj， long offset， long value)
  • void putOrderedLong(Object obj， long offset， long value)
  • void park(boolean isAbsolute， long time)
  • void unpark(Object thread)
  • long getAndSetLong(Object obj， long offset， long update)
  • long getAndAddLong(Object obj， long offset， long addValue)
• 使用Unsafe类

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Unsafe

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。

Unsafe 提供的几个主要的方法

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)

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

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int arrayBaseOffset(Class arrayClass)

获取数组中第一个元素的地址

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int arrayIndexScale(Class arrayClass)

获取数组中一个元素占用的字节

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boolean compareAndSwapLong(Object obj， long offset， long expect， long update)

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

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public native long getLongvolatile(Object obj， long offset)

获取对象obj中偏移量为offset的变量对应volatile语义的值

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void putLongvolatile(Object obj， long offset， long value)

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

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void putOrderedLong(Object obj， long offset， long value)

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。

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void park(boolean isAbsolute， long time)

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。

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void unpark(Object thread)

唤醒调用park后阻塞的线程

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下面是JDK8新增的函数，这里只列出Long类型操作。

long getAndSetLong(Object obj， long offset， long update)

获取对象obj中偏移量为offset的变量volatile语义的当前值，并设置变量volatile语义的值为update

由以上代码可知，首先（1）处的getLongvolatile获取当前变量的值，然后使用CAS原子操作设置新值。这里使用while循环是考虑到，在多个线程同时调用的情况下CAS失败时需要重试。

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long getAndAddLong(Object obj， long offset， long addValue)

获取对象obj中偏移量为offset的变量volatile语义的当前值，并设置变量值为原始值+addValue

类似getAndSetLong的实现，只是这里进行CAS操作时使用了原始值+传递的增量参数addValue的值。

使用Unsafe类

Unsafe 这个类如此厉害，试一试？？？

import sun.misc.Unsafe;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @description: TODO
 * @date 2021/11/28 20:05
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class TestUnSafe 

    // 1 获取 Unsafe的实例
    static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

    // 2 记录变量 state在类 Testunsafe中的偏移值
    static final long stateoffset;

    // 3 变量
    private volatile long state = 0;

    static 
        try 
            // 4 获取state变量在类TestUnsafe中的偏移量
            stateoffset = unsafe.objectFieldOffset(TestUnSafe.class.getDeclaredField("state"));
         catch (Exception e) 
            System.out.println(e.getLocalizedMessage());
            throw new Error(e);
        
    


    public static void main(String[] args) 
        // 5. 创建实例
        TestUnSafe testUnSafe = new TestUnSafe();

        // 6 设置state值为1 通过cas算法
        boolean b = unsafe.compareAndSwapLong(testUnSafe, stateoffset, 0, 1);
        System.out.println(b);

    


    

• 代码1 获取了Unsafe的一个实例

• 代码3创建了一个变量state并初始化为0。

• 代码4使用unsafe.objectFieldOffset获取TestUnSafe类里面的state变量，在TestUnSafe对象里面的内存偏移量地址并将其保存到stateOffset变量中。

• 代码6 调用创建的unsafe实例的compareAndSwapInt方法，设置test对象的state变量的值。具体意思是，如果test对象中内存偏移量为stateOffset的state变量的值为0，则更新该值为1。

运行上面的代码，我们期望输出true，然而执行后会输出如下结果

看看getUnsafe的代码吧

    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() 
        // 7 
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
		// 8 
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) 
            throw new SecurityException("Unsafe");
         else 
            return theUnsafe;
        
    

继续看下

    //  9 判断是不是BootStrap类加载器加载的 
    public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader var0) 
        return var0 == null;
    

• 代码7获取调用getUnsafe这个方法的对象的Class对象，这里是TestUnSafe.class。

• 代码8判断是不是Bootstrap类加载器加载的localClass，在这里是看是不是Bootstrap加载器加载了TestUnSafe.class。很明显由于TestUnSafe.class是使用AppClassLoader加载的，所以这里直接抛出了异常。

思考一下，这里为何要有这个判断？ 我们知道Unsafe类是rt.jar包提供的，rt.jar包里面的类是使用Bootstrap类加载器加载的，而我们的启动main函数所在的类是使用AppClassLoader加载的，所以在main函数里面加载Unsafe类时，根据委托机制，会委托给Bootstrap去加载Unsafe类。

如果没有代码8的限制，那么我们的应用程序就可以随意使用Unsafe做事情了，而Unsafe类可以直接操作内存，这是不安全的，所以JDK开发组特意做了这个限制，不让开发人员在正规渠道使用Unsafe类，而是在rt.jar包里面的核心类中使用Unsafe功能。

如果开发人员真的想要实例化Unsafe类，那该如何做？

方法有多种，既然从正规渠道访问不了，那么就玩点黑科技，使用万能的反射来获取Unsafe实例方法。

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

/**
 * @author 小工匠
 * @version 1.0
 * @description: TODO
 * @date 2021/11/28 20:05
 * @mark: show me the code , change the world
 */
public class TestUnSafe 

    // 1 获取 Unsafe的实例
    static final Unsafe unsafe  ;

    // 2 记录变量 state在类 Testunsafe中的偏移值
    static final long stateoffset;


    // 3 变量
    private volatile long state = 0;

    public long getState() 
        return state;
    


    static 
        try 
           // 使用反射获取Unsafe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TestUnSfate中的偏移量
            stateoffset = unsafe.objectFieldOffset(TestUnSafe.class.getDeclaredField("state"));

         catch (Exception e) 
            System.out.println(e.getLocalizedMessage());
            throw new Error(e);
        
    


    public static void main(String[] args) 
        // 5. 创建实例
        TestUnSafe testUnSafe = new TestUnSafe();
        System.out.println("修改前:" + testUnSafe.getState());

        // 6 设置state值为1 通过cas算法
        boolean b = unsafe.compareAndSwapLong(testUnSafe, stateoffset, 0, 1);
        System.out.println("修改  " + b);

        System.out.println("修改前:" + testUnSafe.getState());

    

在如上代码中，通过反射获取unsafe的实例， 运行后输出结果如下。