Unsafe与CAS

Unsafe

简单讲一下这个类。Java无法直接访问底层操作系统,而是通过本地(native)方法来访问。不过尽管如此,JVM还是开了一个后门,JDK中有一个类Unsafe,它提供了硬件级别的原子操作

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。

从第一行的描述可以了解到Unsafe提供了硬件级别的操作,比如说获取某个属性在内存中的位置,比如说修改对象的字段值,即使它是私有的。不过Java本身就是为了屏蔽底层的差异,对于一般的开发而言也很少会有这样的需求。

举两个例子,比方说:

public native long staticFieldOffset(Field paramField);

这个方法可以用来获取给定的paramField的内存地址偏移量,这个值对于给定的field是唯一的且是固定不变的。再比如说:

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

前一个方法是用来获取数组第一个元素的偏移地址,后一个方法是用来获取数组的转换因子即数组中元素的增量地址的。最后看三个方法:

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

分别用来分配内存,扩充内存和释放内存的。

当然这需要有一定的C/C++基础,对内存分配有一定的了解,这也是为什么我一直认为C/C++开发者转行做Java会有优势的原因。

 

CAS

CAS,Compare and Swap即比较并交换,设计并发算法时常用到的一种技术,java.util.concurrent包全完建立在CAS之上,没有CAS也就没有此包,可见CAS的重要性。

当前的处理器基本都支持CAS,只不过不同的厂家的实现不一样罢了。CAS有三个操作数:内存值V、旧的预期值A、要修改的值B,当且仅当预期值A和内存值V相同时,将内存值修改为B并返回true,否则什么都不做并返回false

CAS也是通过Unsafe实现的,看下Unsafe下的三个方法:

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);

就拿中间这个比较并交换Int值为例好了,如果我们不用CAS,那么代码大致是这样的:

 1 public int i = 1;
 2     
 3 public boolean compareAndSwapInt(int j)
 4 {
 5     if (i == 1)
 6     {
 7         i = j;
 8         return true;
 9     }
10     return false;
11 }

当然这段代码在并发下是肯定有问题的,有可能线程1运行到了第5行正准备运行第7行,线程2运行了,把i修改为10,线程切换回去,线程1由于先前已经满足第5行的if了,所以导致两个线程同时修改了变量i。

解决办法也很简单,给compareAndSwapInt方法加锁同步就行了,这样,compareAndSwapInt方法就变成了一个原子操作。CAS也是一样的道理,比较、交换也是一组原子操作,不会被外部打断,先根据paramLong/paramLong1获取到内存当中当前的内存值V,在将内存值V和原值A作比较,要是相等就修改为要修改的值B,由于CAS都是硬件级别的操作,因此效率会高一些。

 

由CAS分析AtomicInteger原理

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类都是基于CAS实现的,下面拿AtomicInteger分析一下,首先是AtomicInteger类变量的定义:

 1 private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
 2 private static final long valueOffset;
 3 
 4 static {
 5  try {
 6     valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
 7         (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
 8   } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
 9 }
10 
11 private volatile int value;

关于这段代码中出现的几个成员属性:

1、Unsafe是CAS的核心类,前面已经讲过了

2、valueOffset表示的是变量值在内存中的偏移地址,因为Unsafe就是根据内存偏移地址获取数据的原值的

3、value是用volatile修饰的,这是非常关键的

下面找一个方法getAndIncrement来研究一下AtomicInteger是如何实现的,比如我们常用的addAndGet方法:

 1 public final int addAndGet(int delta) {
 2     for (;;) {
 3         int current = get();
 4         int next = current + delta;
 5         if (compareAndSet(current, next))
 6             return next;
 7     }
 8 }
 1 public final int get() {
 2         return value;
 3     }

这段代码如何在不加锁的情况下通过CAS实现线程安全,我们不妨考虑一下方法的执行:

1、AtomicInteger里面的value原始值为3,即主内存中AtomicInteger的value为3,根据Java内存模型,线程1和线程2各自持有一份value的副本,值为3

2、线程1运行到第三行获取到当前的value为3,线程切换

3、线程2开始运行,获取到value为3,利用CAS对比内存中的值也为3,比较成功,修改内存,此时内存中的value改变比方说是4,线程切换

4、线程1恢复运行,利用CAS比较发现自己的value为3,内存中的value为4,得到一个重要的结论-->此时value正在被另外一个线程修改,所以我不能去修改它

5、线程1的compareAndSet失败,循环判断,因为value是volatile修饰的,所以它具备可见性的特性,线程2对于value的改变能被线程1看到,只要线程1发现当前获取的value是4,内存中的value也是4,说明线程2对于value的修改已经完毕并且线程1可以尝试去修改它

6、最后说一点,比如说此时线程3也准备修改value了,没关系,因为比较-交换是一个原子操作不可被打断,线程3修改了value,线程1进行compareAndSet的时候必然返回的false,这样线程1会继续循环去获取最新的value并进行compareAndSet,直至获取的value和内存中的value一致为止

整个过程中,利用CAS机制保证了对于value的修改的线程安全性。

 

CAS的缺点

CAS看起来很美,但这种操作显然无法涵盖并发下的所有场景,并且CAS从语义上来说也不是完美的,存在这样一个逻辑漏洞:如果一个变量V初次读取的时候是A值,并且在准备赋值的时候检查到它仍然是A值,那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗?如果在这段期间它的值曾经被改成了B,然后又改回A,那CAS操作就会误认为它从来没有被修改过。这个漏洞称为CAS操作的"ABA"问题。java.util.concurrent包为了解决这个问题,提供了一个带有标记的原子引用类"AtomicStampedReference",它可以通过控制变量值的版本来保证CAS的正确性。不过目前来说这个类比较"鸡肋",大部分情况下ABA问题并不会影响程序并发的正确性,如果需要解决ABA问题,使用传统的互斥同步可能回避原子类更加高效。

 

posted @ 2015-11-19 19:20 五月的仓颉 阅读(...) 评论(...) 编辑 收藏