Unsafe.putOrderedXXX系列方法详解(数组赋值的第二种方式)

2024-04-06 16:10:25

在Netty中,IO线程用于存储任务的容器是MpscUnboundedArrayQueue类.
所有对外的读写操作,都’委托’给IO线程来执行,非IO线程(比如业务线程)若要写数据,必须将写操作封装成一个任务,提交到IO线程的任务队列中.IO线程会择机执行任务队列中的任务,将数据写入到网络(实际只是写到TCP缓冲区). 那么这个任务队列就很重要了,它必须是高性能的. 在Netty以前的版本中,使用JDK的BlockingQueue实现这个任务队列,而Netty是一个追求性能极致的框架(不被规则和常规所束缚),目前选择jctools这个工具包中的MpscUnboundedArrayQueue类实现任务队列.

这个MpscUnboundedArrayQueue队列很特别,它是数组和链表的结合.但是它不是哈希,它的结构类似下面这样

同等大小的数组之间通过链表方式连接.

MpscUnboundedArrayQueue<Integer> queue = new MpscUnboundedArrayQueue<>(4);

new Thread(() -> {
    while (true) {
        try {
            for (int i = 1; i < 100; i++) {
                Thread.sleep(3000);
                queue.offer(i);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}, "生产者-1").start();


new Thread(() -> {
    while (true) {
        try {
            for (int i = 200; i < 300; i++) {
                Thread.sleep(2000);
                queue.offer(i);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}, "生产者-2").start();

new Thread(() -> {
    while (true) {
        try {
            for (int i = 300; i < 400; i++) {
                Thread.sleep(1000);
                queue.offer(i);
            }
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}, "生产者-3").start();

以上3个生产者向队列中’生产’数据,过了一会,通过dump堆信息.再通过Eclipse MAT查看堆信息.

如上图,展开数组,可以看到它的结构是一个数组’链’一个数组.

当非IO线程提交任务的时候,就需要向数组中存储元素值.那么它是如何给数组赋值的呢?

一般情况,给数组赋值如下

int[] arr = new int[8];
arr[3] = 9527;

而MpscUnboundedArrayQueue类中,是通过Unsafe.putOrderedXXX系列的方法,给数组赋值的.

如并发中的CAS, 内存申请, 线程阻塞和解除阻塞park/unpark, 以及putOrderedXXX等等, 都是Unsafe类提供的方法.

在此之前,先研究下对象的内存布局.

面试题: Object obj = new Object()在内存中占用多少字节?

Java对象是由markword,类型指针,数组长度(如果对象是数组的话),实例数据,对齐空间等组成.如下图

我们以数组为例

int[] arr = new int[7];

通过代码验证, int[]数组的内存布局情况.

依赖的包

<dependency>
      <groupId>org.openjdk.jol</groupId>
      <artifactId>jol-core</artifactId>
      <version>0.9</version>
</dependency>

import org.openjdk.jol.info.ClassLayout;

public class Example {

    public static void main(String[] args) {
        int[] arr = new int[7];
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(arr).toPrintable());

    }
}

同时设置虚拟机参数 -XX:+UseCompressedClassPointers ,表示启用压缩类指针, 比如在64位系统上,一个指针占用8字节,启用这个参数之后,指针占用4字节.

打印结果如下

根据内存布局,我们可以知道数组的第一个元素距离起始位置4+4+4+4 = 16个字节.

如上图,[I表示int数组含义,具体映射关系,可以直接参数OpenJDK源码.

在Unsafe类中有个arrayBaseOffset方法,就是用来返回数组中第一个元素的偏移地址,验证代码如下.

输出16,与上面查看对象内存布局的结果是一致的.

如果要修改数组中的某一个元素,要知道3个值
1.数组首地址
2.第一个元素偏移地址
3.每个元素的大小

在学习C语言的时候,经常萦绕耳边的一句话是’数组名表示数组首地址’, 在Java中,数组名也是数组首地址.
通过unsafe.arrayBaseOffset可以获取第一个元素偏移地址.
在Java中,int占4字节,double占8字节等等.通过unsafe.arrayIndexScale方法可以获取数组中元素占用的大小,代码如下.

通过以上的分析,最后得到如下一张图.

有了数组首地址,第一个元素偏移地址和元素大小,就可以指向数组的任意元素的地址,也就可以修改元素了.

有了以上的基础知识,接下来就是本文要说的方法Unsafe.putOrderedXXX(…).

如上图,通过unsafe.putOrderedXXX(…)给第2个元素赋值450.

unsafe.putOrderedLong(a, offset, 450);

第一个参数a是数组的名称,即数组首地址, 第二个参数offset是计算得到,即第二个元素距离首地址的偏移地址, 第三个元素450是要赋的值.

在jctools工具类中的org.jctools.queues.BaseMpscLinkedArrayQueue#offer方法就是向数组中存储元素的核心方法,它如何存储元素的核心代码如下.

调用的方法就是unsafe.putOrderedXXX(…).

码农公寓

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