課堂筆記

說明： 併發程式設計之Atomic&Unsafe魔法類詳解

課程內容

• 什麼是原子操作？
• CPU原子操作的實現方式
• Atomic
• Unsafe魔法類

原子操作

原子即“不能被進一步分割的最小粒子”，原子操作（atomic operation）即 “ 不可被中斷的一個或一系列操作”

處理器自動保證基本記憶體操作的原子性，如對同一個快取行裡進行16/32/64位的操作是原子的。複雜的記憶體操作處理器不能自動保證其原子性，比如跨匯流排寬度，跨多個快取行，跨頁表的訪問。

Atomic

在Atomic包裡一共有12個類，四種原子更新方式，原子更新基本型別，原子更新陣列，原子更新引用，原子更新欄位，Atomic包裡的類基本都是使用Unsafe實現的包裝類。

• 基本類： AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBOOlean
• 引用型別：AtomicReference、AtomicReference的ABA例項、AtomicStampedReference、AtomICMarkableReference
• 陣列型別：AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray
• 屬性原子修改器（updater): AtomicIntegerFieldUpdater、AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

Unsafe

Unsafe 是位於sun.misc包下的一個類，主要提供一些用於執行低級別、不安全操作的方法，如直接訪問系統記憶體資源、自主管理記憶體資源等，這些方法在提升Java執行效率、增強Java語言底層資源操作能力方面起到了很大的作用。

Unsafe類作為一單例實現，提供靜態方法getUnsafe獲取Unsafe例項，當且僅當呼叫getUnsafe方法的類為引導類載入器所載入時才合法，否則丟擲SecurityException異常。

public class Unsafe{
    //單例物件
    private static final Unsafe theUnsafe;
    private Unsafe(){}
    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass(); // 僅在引導類載入器BootstrapClassLoader 載入時才合法
       if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())){
           throw new SecurityException("unsafe");
       }elese {
           return theUnsafe;
       }
    }
}

如何獲取Unsafe

1. 把呼叫Unsafe相關方法的類Demo所在的jar包路徑追加到預設的bootstrap路徑中，使用A被引導類載入器載入

   • java -Xbootclasspath/Demo:${path}

2. 通過反射獲取單例物件theUnsafe

   public class UnsafeInstance {
       public static reflectGetUnsafe() {
           try{
               Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
               field.setAccessible(true);
               return (Unsafe) field.get(null);
           } catch (Exception e) {
               e.printStackTrace();
           }
           return null;
       }
   }
   

Unsafe 功能

CAS

/**
  * CAS
  * @param o 			包含要修改field的物件
  * @param offset 		物件中某field的偏移量
  * @param expected 	期望值
  * @param update		更新值
  * @return				true | false
  */

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

執行緒排程

// 取消阻塞執行緒
public native void unpark(Object thread);
// 阻塞執行緒
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
// 獲得物件鎖（可重入鎖）
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object o);
//釋放物件鎖
@Deprecated
public native void monitorExit(Object o);
//嘗試獲取物件鎖
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

記憶體屏障

//記憶體屏障，進位制load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障後，屏障後的load操作不能被重排序到屏障前
public native void loadFence();
//記憶體屏障，進位制store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障後，屏障後的store操作不能被重排序到屏障前
public native void storeFence();
//記憶體屏障，進位制load、store操作重排序
public native void fullFence()

典型應用：

StampedLock的validate()方法使用記憶體屏障，防止指令重排。

public boolean validate(long stamp){
    U.loadFence();
    return (stamp & SBITS) == (state && SBITS);
}