JUC原子类: CAS, Unsafe和原子类详解
JUC原子类: CAS, Unsafe和原子类详解
Java原子类是通过UnSafe类实现的，这节主要分析下UnSafe类。UnSafe类在J.U.C中CAS操作有很广泛的应用。
1. 简介
Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，
- 如直接访问系统内存资源
- 自主管理内存资源等
这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。
1.1 Unsafe类的指针风险
但由于Unsafe类使Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。
1.2 Unsafe 类的使用受限制
这个类尽管里面的方法都是 public 的，但是并没有办法使用它们，JDK API 文档也没有提供任何关于这个类的方法的解释。总而言之，对于 Unsafe 类的使用都是受限制的，只有授信的代码才能获得该类的实例，当然 JDK 库里面的类是可以随意使用的。
2. Unsafe 总体功能
先来看下这张图，对UnSafe类总体功能：
如上图所示，Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类，下面将对其相关方法和应用场景进行详细介绍。
3. Unsafe与CAS
反编译出来的代码：
public final int getAndAddInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
{
int i;
do
i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, i + paramInt));
return i;
}
public final long getAndAddLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2)
{
long l;
do
l = getLongVolatile(paramObject, paramLong1);
while (!compareAndSwapLong(paramObject, paramLong1, l, l + paramLong2));
return l;
}
public final int getAndSetInt(Object paramObject, long paramLong, int paramInt)
{
int i;
do
i = getIntVolatile(paramObject, paramLong);
while (!compareAndSwapInt(paramObject, paramLong, i, paramInt));
return i;
}
public final long getAndSetLong(Object paramObject, long paramLong1, long paramLong2)
{
long l;
do
l = getLongVolatile(paramObject, paramLong1);
while (!compareAndSwapLong(paramObject, paramLong1, l, paramLong2));
return l;
}
public final Object getAndSetObject(Object paramObject1, long paramLong, Object paramObject2)
{
Object localObject;
do
localObject = getObjectVolatile(paramObject1, paramLong);
while (!compareAndSwapObject(paramObject1, paramLong, localObject, paramObject2));
return localObject;
}
从源码中发现，内部使用自旋的方式进行CAS更新(while循环进行CAS更新，如果更新失败，则循环再次重试)。
又从Unsafe类中发现，原子操作其实只支持下面三个方法。
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);
我们发现Unsafe只提供了3种CAS方法：compareAndSwapObject、compareAndSwapInt和compareAndSwapLong。都是native方法
4. Unsafe底层compareAndSwap 的实现
不妨再看看Unsafe的compareAndSwap 方法来实现CAS操作，它是一个本地方法，实现位于unsafe.cpp中。
UNSAFE_ENTRY(jboolean, Unsafe_CompareAndSwapInt(JNIEnv *env, jobject unsafe, jobject obj, jlong offset, jint e, jint x))
UnsafeWrapper("Unsafe_CompareAndSwapInt");
oop p = JNIHandles::resolve(obj);
jint* addr = (jint *) index_oop_from_field_offset_long(p, offset);
return (jint)(Atomic::cmpxchg(x, addr, e)) == e;
UNSAFE_END
可以看到它通过 Atomic::cmpxchg 来实现比较和替换操作。其中参数x是即将更新的值，参数e是原内存的值。
如果是Linux的x86，Atomic::cmpxchg方法的实现如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::is_MP();
__asm__ volatile (LOCK_IF_MP(%4) "cmpxchgl %1,(%3)"
: "=a" (exchange_value)
: "r" (exchange_value), "a" (compare_value), "r" (dest), "r" (mp)
: "cc", "memory");
return exchange_value;
}
而windows的x86的实现如下：
inline jint Atomic::cmpxchg (jint exchange_value, volatile jint* dest, jint compare_value) {
int mp = os::isMP(); //判断是否是多处理器
_asm {
mov edx, dest
mov ecx, exchange_value
mov eax, compare_value
LOCK_IF_MP(mp)
cmpxchg dword ptr [edx], ecx
}
}
// Adding a lock prefix to an instruction on MP machine
// VC++ doesn't like the lock prefix to be on a single line
// so we can't insert a label after the lock prefix.
// By emitting a lock prefix, we can define a label after it.
#define LOCK_IF_MP(mp) __asm cmp mp, 0 \
__asm je L0 \
__asm _emit 0xF0 \
__asm L0:
如果是多处理器，为cmpxchg指令添加lock前缀。反之，就省略lock前缀(单处理器会不需要lock前缀提供的内存屏障效果)。这里的lock前缀就是使用了处理器的总线锁(最新的处理器都使用缓存锁代替总线锁来提高性能)。
cmpxchg(void* ptr, int old, int new)，如果ptr和old的值一样，则把new写到ptr内存，否则返回ptr的值，整个操作是原子的。在Intel平台下，会用lock cmpxchg来实现，使用lock触发缓存锁，这样另一个线程想访问ptr的内存，就会被block住。