1. AtomicInteger 、Unsafe 及 CAS方法的整理

2022-05-27 01:56:12

本文摘自：　　

　　https://blog.csdn.net/fanrenxiang/article/details/80623884

　　http://ifeve.com/sun-misc-unsafe/

　　https://blog.csdn.net/likailonghaha/article/details/70156858

　　

一、前言

　1、为什么需要AtomicInteger原子操作类？

　　对于全局变量的数值类型作 count++，若没有加 synchronized 关键字则是线程不安全的，count++ 解析为 :

　　①、读取 count 值 ②、赋值 count = count + 1；显然，这个操作不具备原子性，多线程时会出现问题，如下测试：

     public static int count = 0;

     public static void main(String[] args) {

         for(int i = 0; i < 100; i++) {

             new Thread() {

                 public void run() {

                     count++;

                 }

             }.start();

          }

         System.out.println("count: " + count);

     }

输出的结果为count: 94，这个值不定，每次测试都可能不一样，很显然，100个线程跑++操作，结果并没有像预期的那样count: 100。

　　2、要是换成volatile修饰count变量呢？

　　volatile 修饰的变量能够在线程之间保持可见性，能被多个线程同时读但是又能保证只被单线程写，而且不会读到过期值，volatile 修饰字段的写入操作总是优先于读操作，即使多个线程同时修改 volatile 变量字段，总能保证获取到的是最新的值。如下测试：

     public  static  volatile  int count = 0;

     public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

         for (int i = 0; i < 100; i++) {

             new Thread() {

                 public void run() {

                     for (int j = 0; j < 100; j++) {

                         count++;

                     }

                 }

             }.start();

         }

         Thread.sleep(1000);

         System.out.println("volatile count: " + count);

     }

结果似乎又失望了，出现volatile count: 9992，果然还是出现问题了，volatile仅仅保证变量在线程间保持可见性，却依然不能保证非原子性的操作。

　　3、用了AtomicInteger类后会变成什么样子呢？

public class AtomicIntegerTest2 {

    public static AtomicInteger count = new AtomicInteger(0);

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

        for (int i = 0; i < 100; i++) {

            new Thread() {

                public void run() {

                    for (int j = 0; j < 100; j++) {

                        count.getAndIncrement();

                    }

                }

            }.start();

        }

        Thread.sleep(1000);

        System.out.println("AtomicInteger count: " + count);

    }

}

结果每次都输出"AtomicInteger count: 10000"，没毛病。

二、AtomicInteger、Unsafe 类介绍

　　1、AtomicInteger 

　　　　来自 java.util.concurrent.atomic 包，atomic包下提供AtomicBoolean/AtomicLong/AtomicInteger三个原子更新基本类型，以AtomicInteger为例，其他两种基本类似。以下是AtomicInteger囊括的大致方法

    //给AtomicInteger设置newValue并返回加oldValue

    public final int getAndSet(int newValue)       

    //如果输入的值和期望值相等就set并返回true/false

    public final boolean compareAndSet(int expect, int update)    

    //对AtomicInteger原子的加1并返回当前自增前的value

    public final int getAndIncrement()     

    //对AtomicInteger原子的减1并返回自减之前的的value

    public final int getAndDecrement()   

    //对AtomicInteger原子的加上delta值并返加之前的value

    public final int getAndAdd(int delta)   

    //对AtomicInteger原子的加1并返回加1后的值

    public final int incrementAndGet()   

    //对AtomicInteger原子的减1并返回减1后的值

    public final int decrementAndGet()    

    //给AtomicInteger原子的加上指定的delta值并返回加后的值

    public final int addAndGet(int delta)

以getAndIncrement为例看下源码

public final int getAndIncrement() {

    for (;;) {　　// 若 compareAndSet 为 false， 则一直循环查询

        //先取出AtomicInteger的当前值

        int current = get();

        //对当前值加1操作

        int next = current + 1;

        //这里很关键，通过compareAndSet方法比较当前值有没有被其它线程修改

        if (compareAndSet(current, next))

            return current;

    }

}

compareAndSet方法里面是调用了Unsafe类的compareAndSwapInt方法（后边讨论）

public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {

        return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);

    }

以下先介绍 Unsafe 类：


2、Unsafe

　　作用：Unsafe类提供了硬件级别的原子操作,提高了Java对底层操作的能力。
　　来自 sun.misc 包，Java最初被设计为一种安全的受控环境，但是 sun.misc.Unsafe 是 Java HotSpot 提供的操作内存和线程的"后门"，提供了一些可以直接操控内存和线程的底层操作。
　　Unsafe被JDK广泛应用于 java.nio 和并发包等实现中，这个不安全的类提供了一个观察 HotSpot JVM 内部结构并且可以对其进行修改，但是不建议在生产环境中使用

　　先看部分 Unsafe 源码：
    private Unsafe() {　　// 私有

    }

    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();

    @CallerSensitive

    public static Unsafe getUnsafe() {

        Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();

        if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))

            throw new SecurityException("Unsafe");

        return theUnsafe;

    }

　　1、获取Unsafe实例　

  • 不能直接new Unsafe()，原因是Unsafe被设计成单例模式，构造方法是私有的；
  • 不能通过调用Unsafe.getUnsafe()获取，因为getUnsafe被设计成只能从引导类加载器(bootstrap class loader)加载

　　Unsafe 实例获取方法：

//方法一：我们可以令我们的代码“受信任”。运行程序时，使用bootclasspath选项，指定系统类路径加上你使用的一个Unsafe路径（但这太难了。）

java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.mishadoff.magic.UnsafeClient

// 方法二： 使用反射，Unsafe类包含一个私有的、名为theUnsafe的实例，我们可以通过Java反射窃取该变量。

static {

    try {

        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

        field.setAccessible(true);

        UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);

    } catch (Exception e) {

    }

}

　　

　　2、Unsafe API

　　sun.misc.Unsafe类包含105个方法。实际上，对各种实体操作有几组重要方法，其中的一些如下：

Info.仅返回一些低级的内存信息

  • addressSize
  • pageSize

Objects.提供用于操作对象及其字段的方法

  • allocateInstance
  • objectFieldOffset

Classes.提供用于操作类及其静态字段的方法

  • staticFieldOffset
  • defineClass
  • defineAnonymousClass
  • ensureClassInitialized

Arrays.操作数组

  • arrayBaseOffset
  • arrayIndexScale

Synchronization.低级的同步原语

  • monitorEnter
  • tryMonitorEnter
  • monitorExit
  • compareAndSwapInt
  • putOrderedInt

Memory.直接内存访问方法

  • allocateMemory
  • copyMemory
  • freeMemory
  • getAddress
  • getInt
  • putInt

3、有趣的用例

　　①、避免初始化

　　　当你想要跳过对象初始化阶段，或绕过构造器的安全检查，或实例化一个没有任何公共构造器的类，allocateInstance方法是非常有用的。考虑以下类：

class A {

    private long a; // not initialized value

    public A() {

        this.a = 1; // initialization

    }

    public long a() { return this.a; }

}

使用构造器、反射和unsafe初始化它，将得到不同的结果。

A o1 = new A(); // constructor

o1.a(); // prints 1

A o2 = A.class.newInstance(); // reflection

o2.a(); // prints 1

A o3 = (A) unsafe.allocateInstance(A.class); // unsafe

o3.a(); // prints 0

　　

Unsafe 的 allocateInstance 方法可以绕过构造方法直接创建对象

objectFieldOffset 方法可以为对象属性赋值。

    public static void main(String[] args) {

        try {

            Customer customer = (Customer) UNSAFE.allocateInstance(Customer.class);

            customer.setName("King");

            System.out.println(customer.toString());

            Field name = customer.getClass().getDeclaredField("name");

            UNSAFE.putObject(customer, UNSAFE.objectFieldOffset(name), "LoLa");

            System.out.println(customer.toString());

        } catch (Exception e) {

            // TODO Auto-generated catch block

            e.printStackTrace();

        }

    }

　　②、内存崩溃（Memory corruption）

　　这对于每个C程序员来说是常见的。顺便说一下，它是绕过安全的常用技术。

　　考虑下那些用于检查“访问规则”的简单类：

class Guard {

       private int ACCESS_ALLOWED = 1;

       public boolean giveAccess() {

              return 42 == ACCESS_ALLOWED;

       }

}

　　客户端代码是非常安全的，并且通过调用giveAccess()来检查访问规则。可惜，对于客户，它总是返回false。只有特权用户可以以某种方式改变ACCESS_ALLOWED常量的值并且得到访问

　　实际上，这并不是真的。演示代码如下：

Guard guard = new Guard();

guard.giveAccess();   // false, no access

// bypass

Unsafe unsafe = getUnsafe();

Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");

unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption

guard.giveAccess(); // true, access granted

　　③、并发（Concurrency）

　　compareAndSwap 方法是原子的，并且可用来实现高性能的、无锁的数据结构。

　　比如，考虑问题：在使用大量线程的共享对象上增长值。

　　

　　首先，我们定义简单的Counter接口：

　　

interface Counter {

    void increment();

    long getCounter();

}

然后，我们定义使用Counter的工作线程CounterClient：

class CounterClient implements Runnable {

    private Counter c;

    private int num;

    public CounterClient(Counter c, int num) {

        this.c = c;

        this.num = num;

    }

    @Override

    public void run() {

        for (int i = 0; i < num; i++) {

            c.increment();

        }

    }

}

测试代码：

int NUM_OF_THREADS = 1000;

int NUM_OF_INCREMENTS = 100000;

ExecutorService service = Executors.newFixedThreadPool(NUM_OF_THREADS);

Counter counter = ... // creating instance of specific counter

long before = System.currentTimeMillis();

for (int i = 0; i < NUM_OF_THREADS; i++) {

    service.submit(new CounterClient(counter, NUM_OF_INCREMENTS));

}

service.shutdown();

service.awaitTermination(1, TimeUnit.MINUTES);

long after = System.currentTimeMillis();

System.out.println("Counter result: " + c.getCounter());

System.out.println("Time passed in ms:" + (after - before));

第一个无锁版本的计数器：

运行快，但没有线程管理，结果是不准确的。

class StupidCounter implements Counter {

    private long counter = 0;

    @Override

    public void increment() {

        counter++;

    }

    @Override

    public long getCounter() {

        return counter;

    }

}

输出：

Counter result: 99542945

Time passed in ms: 679

第二次尝试，添加上最简单的java式同步：

激进的同步有效，但耗时长。

class SyncCounter implements Counter {

    private long counter = 0;

    @Override

    public synchronized void increment() {

        counter++;

    }

    @Override

    public long getCounter() {

        return counter;

    }

}

输出：

Counter result: 100000000

Time passed in ms: 10136

第三种，试试ReentrantReadWriteLock：

仍然正确，耗时较短。

class LockCounter implements Counter {

    private long counter = 0;

    private WriteLock lock = new ReentrantReadWriteLock().writeLock();

    @Override

    public void increment() {

        lock.lock();

        counter++;

        lock.unlock();

    }

    @Override

    public long getCounter() {

        return counter;

    }

}

第四种，atomics的运行效果如何？

AtomicCounter的运行结果更好。

class AtomicCounter implements Counter {

    AtomicLong counter = new AtomicLong(0);

    @Override

    public void increment() {

        counter.incrementAndGet();

    }

    @Override

    public long getCounter() {

        return counter.get();

    }

}

第五种，试试Unsafe原始的compareAndSwapLong，看看它是否真的只有特权才能使用它？

class CASCounter implements Counter {

    private volatile long counter = 0;

    private Unsafe unsafe;

    private long offset;

    public CASCounter() throws Exception {

        unsafe = getUnsafe();

        offset = unsafe.objectFieldOffset(CASCounter.class.getDeclaredField("counter"));

    }

    @Override

    public void increment() {

        long before = counter;

        while (!unsafe.compareAndSwapLong(this, offset, before, before + 1)) {

            before = counter;

        }

    }

    @Override

    public long getCounter() {

        return counter;

    }

}

第四种、第五种时间大致一样，Unsafe 看起来似乎等价于atomics。atomics使用Unsafe？（是的）

3、 CAS

　　1、CAS介绍

　　　　AtomicInteger的核心就是一个CAS算法(CompareAndSwap)，比较并交换算法，此算法是由unsafe的底层代码实现，它是一个原子的操作。 (CAS能很高效的解决原子操作)

　　　　原理就是：如果内存中的实际值与update值相同，则将实际值更新为expect值，反之则返回失败，由上层系统循环获取实际值后，再次调用此CAS算法。

　　　　

　　　　CAS 是设计并发算法时常用到的一种技术，java.util.concurrent包完全建立在CAS之上。

　　　　CAS是通过Unsafe实现的，java.util.concurrent包中借助CAS实现了区别于synchronouse同步锁的一种乐观锁。

　　　　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);

　　

　　2、CAS 在 Unsafe 中应用

　　以  compareAndSwapInt 为例， CAS有3个操作数，内存值V，旧的预期值A，要修改的新值B。当且仅当预期值A和内存值V相同时，将内存值V修改为B，否则什么都不做。

　　unsafe.compareAndSwapInt(this, this, valueOffset, expect, update)，包含 ①比较②更新两个操作，compareAndSwapInt如何这两个步骤的原子性呢？

　　

　　3、CAS原理

　　　CAS通过调用JNI的代码实现的。JNI:Java Native Interface为JAVA本地调用(用 native 关键字标注)，允许java调用其他语言。

　　　而compareAndSwapInt就是借助C来调用CPU底层指令实现的。

三、总结

　　这是我认真看了一天博客摘抄下来的整理，我要保持每天不断的学习，争取早日写出有水平的干货

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