什麼是 Java 中的 Unsafe 與 CAS

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轉自：部落格園，作者：五月的倉頡

連結：www.cnblogs.com/xrq730/p/4976007.html

 

Unsafe

 

簡單講一下這個類。Java無法直接訪問底層作業系統，而是透過本地（native）方法來訪問。不過儘管如此，JVM還是開了一個後門，JDK中有一個類Unsafe，它提供了硬體級別的原子操作。

 

這個類儘管裡面的方法都是public的，但是並沒有辦法使用它們，JDK API檔案也沒有提供任何關於這個類的方法的解釋。總而言之，對於Unsafe類的使用都是受限制的，只有授信的程式碼才能獲得該類的實體，當然JDK庫裡面的類是可以隨意使用的。

 

從第一行的描述可以瞭解到Unsafe提供了硬體級別的操作，比如說獲取某個屬性在記憶體中的位置，比如說修改物件的欄位值，即使它是私有的。不過Java本身就是為了遮蔽底層的差異，對於一般的開發而言也很少會有這樣的需求。

 

舉兩個例子，比方說：

 

public native long staticFieldOffset(Field paramField);

 

這個方法可以用來獲取給定的paramField的記憶體地址偏移量，這個值對於給定的field是唯一的且是固定不變的。再比如說：

 

public native int arrayBaseOffset(Class paramClass);
public native int arrayIndexScale(Class paramClass);

 

前一個方法是用來獲取陣列第一個元素的偏移地址，後一個方法是用來獲取陣列的轉換因子即陣列中元素的增量地址的。最後看三個方法：

 

public native long allocateMemory(long paramLong);
public native long reallocateMemory(long paramLong1, long paramLong2);
public native void freeMemory(long paramLong);

 

分別用來分配記憶體，擴充記憶體和釋放記憶體的。

 

當然這需要有一定的C/C++基礎，對記憶體分配有一定的瞭解，這也是為什麼我一直認為C/C++開發者轉行做Java會有優勢的原因。

 

CAS

 

CAS，Compare and Swap即比較並交換，設計併發演演算法時常用到的一種技術，java.util.concurrent包全完建立在CAS之上，沒有CAS也就沒有此包，可見CAS的重要性。

 

當前的處理器基本都支援CAS，只不過不同的廠家的實現不一樣罷了。CAS有三個運算元：記憶體值V、舊的預期值A、要修改的值B，當且僅當預期值A和記憶體值V相同時，將記憶體值修改為B並傳回true，否則什麼都不做並傳回false。

 

CAS也是透過Unsafe實現的，看下Unsafe下的三個方法：

 

public final native boolean compareAndSwapObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2, Object paramObject3);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt1, int paramInt2);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2, long paramLong3);

 

就拿中間這個比較並交換Int值為例好了，如果我們不用CAS，那麼程式碼大致是這樣的：

 

public int i = 1;
    
public boolean compareAndSwapInt(int j)
{
    if (i == 1)
    {
        i = j;
        return true;
    }
    return false;
}

 

當然這段程式碼在併發下是肯定有問題的，有可能執行緒1執行到了第5行正準備執行第7行，執行緒2運行了，把i修改為10，執行緒切換回去，執行緒1由於先前已經滿足第5行的if了，所以導致兩個執行緒同時修改了變數i。

 

解決辦法也很簡單，給compareAndSwapInt方法加鎖同步就行了，這樣，compareAndSwapInt方法就變成了一個原子操作。CAS也是一樣的道理，比較、交換也是一組原子操作，不會被外部打斷，先根據paramLong/paramLong1獲取到記憶體當中當前的記憶體值V，在將記憶體值V和原值A作比較，要是相等就修改為要修改的值B，由於CAS都是硬體級別的操作，因此效率會高一些。

 

由CAS分析AtomicInteger原理

 

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作類都是基於CAS實現的，下麵拿AtomicInteger分析一下，首先是AtomicInteger類變數的定義：

 

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

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

private volatile int value;

 

關於這段程式碼中出現的幾個成員屬性：

 

1. Unsafe是CAS的核心類，前面已經講過了
2. valueOffset表示的是變數值在記憶體中的偏移地址，因為Unsafe就是根據記憶體偏移地址獲取資料的原值的
3. value是用volatile修飾的，這是非常關鍵的

 

下麵找一個方法getAndIncrement來研究一下AtomicInteger是如何實現的，比如我們常用的addAndGet方法：

 

public final int addAndGet(int delta) {
    for (;;) {
        int current = get();
        int next = current + delta;
        if (compareAndSet(current, next))
            return next;
    }
}

 

public final int get() {
     return value;
}

 

這段程式碼如何在不加鎖的情況下透過CAS實現執行緒安全，我們不妨考慮一下方法的執行：

 

1. AtomicInteger裡面的value原始值為3，即主記憶體中AtomicInteger的value為3，根據Java記憶體模型，執行緒1和執行緒2各自持有一份value的副本，值為3
2. 執行緒1執行到第三行獲取到當前的value為3，執行緒切換
3. 執行緒2開始執行，獲取到value為3，利用CAS對比記憶體中的值也為3，比較成功，修改記憶體，此時記憶體中的value改變比方說是4，執行緒切換
4. 執行緒1恢復執行，利用CAS比較發現自己的value為3，記憶體中的value為4，得到一個重要的結論–>此時value正在被另外一個執行緒修改，所以我不能去修改它
5. 執行緒1的compareAndSet失敗，迴圈判斷，因為value是volatile修飾的，所以它具備可見性的特性，執行緒2對於value的改變能被執行緒1看到，只要執行緒1發現當前獲取的value是4，記憶體中的value也是4，說明執行緒2對於value的修改已經完畢並且執行緒1可以嘗試去修改它
6. 最後說一點，比如說此時執行緒3也準備修改value了，沒關係，因為比較-交換是一個原子操作不可被打斷，執行緒3修改了value，執行緒1進行compareAndSet的時候必然傳回的false，這樣執行緒1會繼續迴圈去獲取最新的value併進行compareAndSet，直至獲取的value和記憶體中的value一致為止

 

整個過程中，利用CAS機制保證了對於value的修改的執行緒安全性。

 

CAS的缺點

 

CAS看起來很美，但這種操作顯然無法涵蓋併發下的所有場景，並且CAS從語意上來說也不是完美的，存在這樣一個邏輯漏洞：如果一個變數V初次讀取的時候是A值，並且在準備賦值的時候檢查到它仍然是A值，那我們就能說明它的值沒有被其他執行緒修改過了嗎？如果在這段期間它的值曾經被改成了B，然後又改回A，那CAS操作就會誤認為它從來沒有被修改過。這個漏洞稱為CAS操作的”ABA”問題。java.util.concurrent包為瞭解決這個問題，提供了一個帶有標記的原子取用類”AtomicStampedReference”，它可以透過控制變數值的版本來保證CAS的正確性。不過目前來說這個類比較”雞肋”，大部分情況下ABA問題並不會影響程式併發的正確性，如果需要解決ABA問題，使用傳統的互斥同步可能迴避原子類更加高效。