Unsafe與CAS

Unsafe

簡單講一下這個類。Java無法直接訪問底層操作系統，而是通過本地（native）方法來訪問。不過盡管如此，JVM還是開了一個后門，JDK中有一個類Unsafe，它提供了硬件級別的原子操作。

這個類盡管里面的方法都是public的，但是並沒有辦法使用它們，JDK API文檔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，只有授信的代碼才能獲得該類的實例，當然JDK庫里面的類是可以隨意使用的。

從第一行的描述可以了解到Unsafe提供了硬件級別的操作，比如說獲取某個屬性在內存中的位置，比如說修改對象的字段值，即使它是私有的。不過Java本身就是為了屏蔽底層的差異，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的內存地址偏移量，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數組第一個元素的偏移地址，后一個方法是用來獲取數組的轉換因子即數組中元素的增量地址的。最后看三個方法：

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

分別用來分配內存，擴充內存和釋放內存的。

當然這需要有一定的C/C++基礎，對內存分配有一定的了解，這也是為什么我一直認為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，設計並發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持CAS，只不過不同的廠家的實現不一樣罷了。CAS有三個操作數：內存值V、舊的預期值A、要修改的值B，當且僅當預期值A和內存值V相同時，將內存值修改為B並返回true，否則什么都不做並返回false。

CAS也是通過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，那么代碼大致是這樣的：

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

當然這段代碼在並發下是肯定有問題的，有可能線程1運行到了第5行正准備運行第7行，線程2運行了，把i修改為10，線程切換回去，線程1由於先前已經滿足第5行的if了，所以導致兩個線程同時修改了變量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獲取到內存當中當前的內存值V，在將內存值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都是硬件級別的操作，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，下面拿AtomicInteger分析一下，首先是AtomicInteger類變量的定義：

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;

關於這段代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表示的是變量值在內存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據內存偏移地址獲取數據的原值的

3、value是用volatile修飾的，這是非常關鍵的

下面找一個方法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;
}

這段代碼如何在不加鎖的情況下通過CAS實現線程安全，我們不妨考慮一下方法的執行：

1、AtomicInteger里面的value原始值為3，即主內存中AtomicInteger的value為3，根據Java內存模型，線程1和線程2各自持有一份value的副本，值為3

2、線程1運行到第三行獲取到當前的value為3，線程切換

3、線程2開始運行，獲取到value為3，利用CAS對比內存中的值也為3，比較成功，修改內存，此時內存中的value改變比方說是4，線程切換

4、線程1恢復運行，利用CAS比較發現自己的value為3，內存中的value為4，得到一個重要的結論-->此時value正在被另外一個線程修改，所以我不能去修改它

5、線程1的compareAndSet失敗，循環判斷，因為value是volatile修飾的，所以它具備可見性的特性，線程2對於value的改變能被線程1看到，只要線程1發現當前獲取的value是4，內存中的value也是4，說明線程2對於value的修改已經完畢並且線程1可以嘗試去修改它

6、最后說一點，比如說此時線程3也准備修改value了，沒關系，因為比較-交換是一個原子操作不可被打斷，線程3修改了value，線程1進行compareAndSet的時候必然返回的false，這樣線程1會繼續循環去獲取最新的value並進行compareAndSet，直至獲取的value和內存中的value一致為止

整個過程中，利用CAS機制保證了對於value的修改的線程安全性。

 

CAS的缺點

CAS看起來很美，但這種操作顯然無法涵蓋並發下的所有場景，並且CAS從語義上來說也不是完美的，存在這樣一個邏輯漏洞：如果一個變量V初次讀取的時候是A值，並且在准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線程修改過了嗎？如果在這段期間它的值曾經被改成了B，然后又改回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包為了解決這個問題，提供了一個帶有標記的原子引用類"AtomicStampedReference"，它可以通過控制變量值的版本來保證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問題並不會影響程序並發的正確性，如果需要解決ABA問題，使用傳統的互斥同步可能回避原子類更加高效。