Java 并發編程之CAS 和 Unsafe類本地使用方法

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  • Unsafe類本地使用方法

CAS原理與Unsafe類

我們知道保證線程安全的三個要素是原子性,可見性,有序性

CAS(Compare And Swap)，指令級別保證某一內存地址V上的值的更新修改是一個原子操作
需要三個值:

• 內存地址V

• 該線程拿到的值A

• 期望更新后的值B

思路：如果地址V上的實際值和該線程拿到的值A相等，就給地址V賦給新值B，如果不是，不做任何操作。
循環（死循環，自旋）里不斷的進行CAS操作

JDK里為我們提供了這些原子操作類

• 更新基本類型類：AtomicBoolean，AtomicInteger，AtomicLong，AtomicReference
• 更新數組類：AtomicIntegerArray，AtomicLongArray，AtomicReferenceArray
• 更新引用類型：AtomicReference，AtomicMarkableReference，AtomicStampedReference
• 原子更新字段類：AtomicReferenceFieldUpdater，AtomicIntegerFieldUpdater，AtomicLongFieldUpdater

觀察這些類的源碼我們可以發現，CAS底層的原理實現都需要借助一個Unsafe類來實現，比如對于AtomicInteger類的compareAndSet方法：

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
    }

代碼中unsafe變量的初始化：

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

于是，為了嘗試使用CAS在本地操作，模仿了上面的代碼和初始化，嘗試在本地進行測試，代碼如下：

public class CASTest {static volatile long valueOffset;
    // Unsafe類初始化
    static Unsafe unsafe = sun.misc.Unsafe.getUnsafe();


    static {//        initUnsafe();
        try {valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
                    (CASTest.class.getDeclaredField("value"));
        } catch (Exception ex) {throw new Error(ex); }
    }
    
    private static void initUnsafe() {try {Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            Unsafe unsafe1 =  (Unsafe) f.get(null);
            unsafe = unsafe1;
        } catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchFieldException e) {e.printStackTrace();
        }
    }
    
    
    volatile int value;

    public CASTest(int value) {this.value = value;
    }
	
    // 測試cas操作
    public void cas() {System.out.println(unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset , 5, 10));
        System.out.println("this.value:" + this.value);
        System.out.println(unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset , 5, 20));
        System.out.println("this.value:" + this.value);
    }
    public static void main(String[] args) {new CASTest(5).cas();
    }
}

但是執行后發現，會報錯：

Exception in thread "main" java.lang.ExceptionInInitializerError
Caused by: java.lang.SecurityException: Unsafe
	at sun.misc.Unsafe.getUnsafe(Unsafe.java:90)
	at com.lagou.concurrent.demo.test.CASTest.(CASTest.java:9)

查詢相關資料后發現，在使用該getUnsafe方法是，會判斷classLoader的類型，如果不是systemClassLoader則會拋出SecurityException(“Unsafe”)異常，所以用戶編寫的程序使用不了unsafe實例。

那如果我們想本地實現可以怎么辦呢？

Unsafe類本地使用方法

下面給出一個本地使用Unsafe類初始化的方法，也是網上使用比較多的方法

private static void initUnsafe() {try {Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            Unsafe unsafe1 =  (Unsafe) f.get(null);
            unsafe = unsafe1;
        } catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchFieldException e) {e.printStackTrace();
        }
    }

使用該初始化方法更新上面的測試代碼：

public class CASTest {static volatile long valueOffset;
    static Unsafe unsafe;


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

    private static void initUnsafe() {try {Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            Unsafe unsafe1 =  (Unsafe) f.get(null);
            unsafe = unsafe1;
        } catch (IllegalAccessException e) {e.printStackTrace();
        } catch (NoSuchFieldException e) {e.printStackTrace();
        }
    }
    volatile int value;

    public CASTest(int value) {this.value = value;
    }

    public void cas() {System.out.println(unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset , 5, 10));
        System.out.println("this.value:" + this.value);
        System.out.println(unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset , 5, 20));
        System.out.println("this.value:" + this.value);
    }
    public static void main(String[] args) {new CASTest(5).cas();
    }
}

正常執行，且輸出結果為：

true
this.value:10
false
this.value:10

對于輸出結果，根據CAS原理我們分析可知，初始時，我們賦值value=5，那么第一個CAS操作時valueOffset地址對應的value值=5，與compareAndSwapInt參數里的期望值5匹配，因此CAS操作成功返回true，同時value值被賦為10。同理，第二次CAS操作取valueOffset地址對應的value=10，與方法中的期望值5不匹配，則CAS操作失敗返回false，此時value的值仍為10。

如果我們把第二次CAS操作的期望值設成10，那么最終的返回value值會為20。

true
this.value:10
true
this.value:20

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