java工具-高并发-JUC下工具类Unsafe解密-六虎

本文首要内容

Unsafe根本介绍
获取Unsafe实例
Unsafe中的CAS操作
Unsafe中原子操作相关办法介绍
Unsafe中线程调度相关办法介绍
park和unpark示例
Unsafe锁示例
Unsafe中对volatile的支持

根本介绍

最近咱们一直在学习java高并发，java高并发中首要涉及到类位于java.util.concurrent包中，简称juc，juc中大部分类都是依赖于Unsafe来完结的，首要用到了Unsafe中的CAS、线程挂起、线程恢复等相关功用。所以假如计划深入了解JUC原理的，有必要先了解一下Unsafe类。

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，首要供给一些用于履行低等级、不安全操作的办法，如直接拜访体系内存资源、自主办理内存资源等，这些办法在提高Java运转功率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言具有了类似C语言指针相同操作内存空间的能力，这无疑也添加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确运用Unsafe类会使得程序犯错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”，因而对Unsafe的运用一定要稳重。

从Unsafe功用图上看出，Unsafe供给的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、目标操作、线程调度、体系信息获取、内存屏障、数组操作等几类，本文首要介绍3个常用的操作：CAS、线程调度、目标操作。

看一下UnSafe的原码部分：

publicfinalclassUnsafe{
//单例目标
privatestaticfinalUnsafetheUnsafe;
privateUnsafe(){
}
@CallerSensitive
publicstaticUnsafegetUnsafe(){
Classvar0=Reflection.getCallerClass();
//仅在引导类加载器`BootstrapClassLoader`加载时才合法
if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())){
thrownewSecurityException("Unsafe");
}else{
returntheUnsafe;
}
}
}

从代码中能够看出，Unsafe类为单例完结，供给静态办法getUnsafe获取Unsafe实例，内部会判断当时调用者是否是由体系类加载器加载的，假如不是体系类加载器加载的，会抛出SecurityException异常。

那咱们想运用这个类，如何获取呢？

能够把咱们的类放在jdk的lib目录下，那么启动的时分会自动加载，这种方式不是很好。

咱们学过反射，经过反射能够获取到Unsafe中的theUnsafe字段的值，这样能够获取到Unsafe目标的实例。

经过反射获取Unsafe实例

代码如下：

publicclassDemo1{
staticUnsafeunsafe;
static{
try{
Fieldfield=Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe=(Unsafe)field.get(null);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
}
publicstaticvoidmain(String[]args){
System.out.println(unsafe);
}
}

输出：

sun.misc.Unsafe@76ed5528

Unsafe中的CAS操作

看一下Unsafe中CAS相关办法界说：

/**
*CAS操作
*
*@paramo包括要修改field的目标
*@paramoffset目标中某field的偏移量
*@paramexpected期望值
*@paramupdate更新值
*@returntrue|false
*/
publicfinalnativebooleancompareAndSwapObject(Objecto,longoffset,Objectexpected,Objectupdate);
publicfinalnativebooleancompareAndSwapInt(Objecto,longoffset,intexpected,intupdate);
publicfinalnativebooleancompareAndSwapLong(Objecto,longoffset,longexpected,longupdate);

什么是CAS? 即比较并替换，完结并发算法经常用到的一种技能。CAS操作包括三个操作数——内存方位、预期原值及新值。履行CAS操作的时分，将内存方位的值与预期原值比较，假如相匹配，那么处理器会自动将该方位值更新为新值，不然，处理器不做任何操作，多个线程一起履行cas操作，只有一个会成功。咱们都知道，CAS是一条CPU的原子指令（cmpxchg指令），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe供给的CAS办法（如compareAndSwapXXX）底层完结即为CPU指令cmpxchg。履行cmpxchg指令的时分，会判断当时体系是否为多核体系，假如是就给总线加锁，只有一个线程会对总线加锁成功，加锁成功之后会履行cas操作，也就是说CAS的原子性实践上是CPU完结的，其实在这一点上仍是有排他锁的，只是比重用synchronized，这儿的排他时刻要短的多，所以在多线程情况下性能会比较好。

说一下offset，offeset为字段的偏移量，每个目标有个地址，offset是字段相对于目标地址的偏移量，目标地址记为baseAddress，字段偏移量记为offeset，那么字段对应的实践地址就是baseAddress+offeset，所以cas经过目标、偏移量就能够去操作字段对应的值了。

CAS在java.util.concurrent.atomic相关类、Java AQS、JUC中并发调集等完结上有十分广泛的应用，咱们看一下java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger类，这个类能够在多线程环境中对int类型的数据履行高效的原子修改操作，并确保数据的正确性，看一下此类顶用到Unsafe cas的当地：

JUC中其他当地运用到CAS的当地就不列举了，有爱好的能够去看一下源码。

Unsafe中原子操作相关办法介绍

5个办法，看一下完结：

/**
*int类型值原子操作，对var2地址对应的值做原子添加操作(添加var4)
*
*@paramvar1操作的目标
*@paramvar2var2字段内存地址偏移量
*@paramvar4需求加的值
*@return
*/
publicfinalintgetAndAddInt(Objectvar1,longvar2,intvar4){
intvar5;
do{
var5=this.getIntVolatile(var1,var2);
}while(!this.compareAndSwapInt(var1,var2,var5,var5+var4));
returnvar5;
}
/**
*long类型值原子操作，对var2地址对应的值做原子添加操作(添加var4)
*
*@paramvar1操作的目标
*@paramvar2var2字段内存地址偏移量
*@paramvar4需求加的值
*@return回来旧值
*/
publicfinallonggetAndAddLong(Objectvar1,longvar2,longvar4){
longvar6;
do{
var6=this.getLongVolatile(var1,var2);
}while(!this.compareAndSwapLong(var1,var2,var6,var6+var4));
returnvar6;
}
/**
*int类型值原子操作办法，将var2地址对应的值置为var4
*
*@paramvar1操作的目标
*@paramvar2var2字段内存地址偏移量
*@paramvar4新值
*@return回来旧值
*/
publicfinalintgetAndSetInt(Objectvar1,longvar2,intvar4){
intvar5;
do{
var5=this.getIntVolatile(var1,var2);
}while(!this.compareAndSwapInt(var1,var2,var5,var4));
returnvar5;
}
/**
*long类型值原子操作办法，将var2地址对应的值置为var4
*
*@paramvar1操作的目标
*@paramvar2var2字段内存地址偏移量
*@paramvar4新值
*@return回来旧值
*/
publicfinallonggetAndSetLong(Objectvar1,longvar2,longvar4){
longvar6;
do{
var6=this.getLongVolatile(var1,var2);
}while(!this.compareAndSwapLong(var1,var2,var6,var4));
returnvar6;
}
/**
*Object类型值原子操作办法，将var2地址对应的值置为var4
*
*@paramvar1操作的目标
*@paramvar2var2字段内存地址偏移量
*@paramvar4新值
*@return回来旧值
*/
publicfinalObjectgetAndSetObject(Objectvar1,longvar2,Objectvar4){
Objectvar5;
do{
var5=this.getObjectVolatile(var1,var2);
}while(!this.compareAndSwapObject(var1,var2,var5,var4));
returnvar5;
}

看一下上面的办法，内部经过自旋的CAS操作完结的，这些办法都能够确保操作的数据在多线程环境中的原子性，正确性。

来个示例，咱们仍是来完结一个网站计数功用，一起有100个人主张对网站的恳求，每个人主张10次恳求，每次恳求算一次，最终成果是1000次，代码如下：

publicclassDemo2{
staticUnsafeunsafe;
//用来记录网站拜访量，每次拜访+1
staticintcount;
//count在Demo.class目标中的地址偏移量
staticlongcountOffset;
static{
try{
//获取Unsafe目标
Fieldfield=Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe=(Unsafe)field.get(null);
FieldcountField=Demo2.class.getDeclaredField("count");
//获取count字段在Demo2中的内存地址的偏移量
countOffset=unsafe.staticFieldOffset(countField);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
}
//模仿拜访一次
publicstaticvoidrequest()throwsInterruptedException{
//模仿耗时5毫秒
TimeUnit.MILLISECONDS.sleep(5);
//对count原子加1
unsafe.getAndAddInt(Demo2.class,countOffset,1);
}
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
longstarTime=System.currentTimeMillis();
intthreadSize=100;
CountDownLatchcountDownLatch=newCountDownLatch(threadSize);
for(inti=0;i<threadSize;i++){
Threadthread=newThread(()->{
try{
for(intj=0;j<10;j++){
request();
}
}catch(InterruptedExceptione){
e.printStackTrace();
}finally{
countDownLatch.countDown();
}
});
thread.start();
}
countDownLatch.await();
longendTime=System.currentTimeMillis();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"，耗时："+(endTime-starTime)+",count="+count);
}
}

输出：

main，耗时：114,count=1000

代码中咱们在静态块中经过反射获取到了Unsafe类的实例，然后获取Demo2中count字段内存地址偏移量countOffset，main办法中模仿了100个人，每人主张10次恳求，等到所有恳求完毕之后，输出count的成果。

代码顶用到了CountDownLatch，经过countDownLatch.await()让主线程等候，等候100个子线程都履行完毕之后，主线程在进行运转。

Unsafe中线程调度相关办法

这部分，包括线程挂起、恢复、锁机制等办法。

//撤销堵塞线程
publicnativevoidunpark(Objectthread);
//堵塞线程,isAbsolute：是否是肯定时刻，假如为true，time是一个肯定时刻，假如为false，time是一个相对时刻，time表明纳秒
publicnativevoidpark(booleanisAbsolute,longtime);
//取得目标锁（可重入锁）
@Deprecated
publicnativevoidmonitorEnter(Objecto);
//开释目标锁
@Deprecated
publicnativevoidmonitorExit(Objecto);
//测验获取目标锁
@Deprecated
publicnativebooleantryMonitorEnter(Objecto);

调用park后，线程将被堵塞，直到unpark调用或许超时，假如之前调用过unpark,不会进行堵塞，即park和unpark不区分先后顺序。monitorEnter、monitorExit、tryMonitorEnter3个办法已过期，不主张运用了。

park和unpark示例

代码如下：

publicclassDemo3{
staticUnsafeunsafe;
static{
try{
Fieldfield=Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe=(Unsafe)field.get(null);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
}
/**
*调用park和unpark，模仿线程的挂起和唤醒
*
*@throwsInterruptedException
*/
publicstaticvoidm1()throwsInterruptedException{
Threadthread=newThread(()->{
System.out.println(System.currentTimeMillis()+","+Thread.currentThread().getName()+",start");
unsafe.park(false,0);
System.out.println(System.currentTimeMillis()+","+Thread.currentThread().getName()+",end");
});
thread.setName("thread1");
thread.start();
TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
unsafe.unpark(thread);
}
/**
*堵塞指定的时刻
*/
publicstaticvoidm2(){
Threadthread=newThread(()->{
System.out.println(System.currentTimeMillis()+","+Thread.currentThread().getName()+",start");
//线程挂起3秒
unsafe.park(false,TimeUnit.SECONDS.toNanos(3));
System.out.println(System.currentTimeMillis()+","+Thread.currentThread().getName()+",end");
});
thread.setName("thread2");
thread.start();
}
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
m1();
m2();
}
}

输出：

1565000238474,thread1,start
1565000243475,thread1,end
1565000243475,thread2,start
1565000246476,thread2,end

m1()中thread1调用park办法，park办法会将当时线程堵塞，被堵塞了5秒之后，被主线程调用unpark办法给唤醒了，unpark办法参数表明需求唤醒的线程。

线程中相当于有个答应，答应默许是0，调用park的时分，发现是0会堵塞当时线程，调用unpark之后，答应会被置为1，并会唤醒当时线程。假如在park之前先调用了unpark办法，履行park办法的时分，不会堵塞。park办法被唤醒之后，答应又会被置为0。多次调用unpark的效果是相同的，答应仍是1。

juc中的LockSupport类是经过unpark和park办法完结的。

Unsafe锁示例

代码如下：

publicclassDemo4{
staticUnsafeunsafe;
//用来记录网站拜访量，每次拜访+1
staticintcount;
static{
try{
Fieldfield=Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
unsafe=(Unsafe)field.get(null);
}catch(Exceptione){
e.printStackTrace();
}
}
//模仿拜访一次
publicstaticvoidrequest(){
unsafe.monitorEnter(Demo4.class);
try{
count++;
}finally{
unsafe.monitorExit(Demo4.class);
}
}
publicstaticvoidmain(String[]args)throwsInterruptedException{
longstarTime=System.currentTimeMillis();
intthreadSize=100;
CountDownLatchcountDownLatch=newCountDownLatch(threadSize);
for(inti=0;i<threadSize;i++){
Threadthread=newThread(()->{
try{
for(intj=0;j<10;j++){
request();
}
}finally{
countDownLatch.countDown();
}
});
thread.start();
}
countDownLatch.await();
longendTime=System.currentTimeMillis();
System.out.println(Thread.currentThread().getName()+"，耗时："+(endTime-starTime)+",count="+count);
}
}

输出：

main，耗时：64,count=1000

留意：

monitorEnter、monitorExit、tryMonitorEnter 3个办法已过期，不主张运用了
monitorEnter、monitorExit有必要成对呈现，呈现的次数有必要一致，也就是说锁了n次，也有必要开释n次，不然会造成死锁

Unsafe中确保变量的可见性

java中操作内存分为主内存和作业内存，共享数据在主内存中，线程假如需求操作主内存的数据，需求先将主内存的数据复制到线程独有的作业内存中，操作完结之后再将其刷新到主内存中。如线程A要想看到线程B修改后的数据，需求满意：线程B修改数据之后，需求将数据从自己的作业内存中刷新到主内存中，而且A需求去主内存中读取数据。

被关键字volatile润饰的数据，有2点语义：

假如一个变量被volatile润饰，读取这个变量时分，会强制从主内存中读取，然后将其复制到当时线程的作业内存中运用
给volatile润饰的变量赋值的时分，会强制将赋值的成果从作业内存刷新到主内存

上面2点语义确保了被volatile润饰的数据在多线程中的可见性。

Unsafe中供给了和volatile语义相同的功用的办法，如下：

//设置给定目标的int值，运用volatile语义，即设置后立马更新到内存对其他线程可见
publicnativevoidputIntVolatile(Objecto,longoffset,intx);
//取得给定目标的指定偏移量offset的int值，运用volatile语义，总能获取到最新的int值。
publicnativeintgetIntVolatile(Objecto,longoffset);

putIntVolatile办法，2个参数：

o：表明需求操作的目标

offset：表明操作目标中的某个字段地址偏移量

x：将offset对应的字段的值修改为x，而且当即刷新到主存中

调用这个办法，会强制将作业内存中修改的数据刷新到主内存中。

getIntVolatile办法，2个参数

o：表明需求操作的目标

offset：表明操作目标中的某个字段地址偏移量

每次调用这个办法都会强制从主内存读取值，将其复制到作业内存中运用。

其他的还有几个putXXXVolatile、getXXXVolatile办法和上面2个类似。

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