六、并发编程之Atomic&Unsafe魔法类详解

太过爱你忘了你带给我的痛 2022-12-22 15:23 217阅读 0赞

### 原子操作 ###

原子(atomic)本意是“不能被进一步分割的最小粒子”，而原子操作(atomic operation)意为”不可被中断的一个或一系列操作” 。在多处理器上实现原子操作就变得 有点复杂。本文让我们一起来聊一聊在Inter处理器和Java里是如何实现原子操作的。  
**1、相关术语**  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTEzNDMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]  
**2、处理器如何实现原子操作**  
32位IA-32处理器使用基于对缓存加锁或总线加锁的方式来实现多处理器之间的原子操作。

**1）处理器自动保证基本内存操作的原子性**  
首先处理器会自动保证基本的内存操作的原子性。处理器保证从系统内存当中读取或者 写入一个字节是原子的，意思是当一个处理器读取一个字节时，其他处理器不能访问这个字 节的内存地址。奔腾6和最新的处理器能自动保证单处理器对同一个缓存行里进行16/32/64 位的操作是原子的，但是复杂的内存操作处理器不能自动保证其原子性，比如跨总线宽度， 跨多个缓存行，跨页表的访问。但是处理器提供总线锁定和缓存锁定两个机制来保证复杂内 存操作的原子性。

**2）使用总线锁保证原子性**  
第一个机制是通过总线锁保证原子性。如果多个处理器同时对共享变量进行读改写 (i++就是经典的读改写操作)操作，那么共享变量就会被多个处理器同时进行操作，这样读改写操作就不是原子的，操作完之后共享变量的值会和期望的不一致，举个例子:如果 i=1,我们进行两次i++操作，我们期望的结果是3，但是有可能结果是2。  
如下图  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTEzNDMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 1]  
原因是有可能多个处理器同时从各自的缓存中读取变量i，分别进行加一操作，然后分 别写入系统内存当中。那么想要保证读改写共享变量的操作是原子的，就必须保证CPU1读 改写共享变量的时候，CPU2不能操作缓存了该共享变量内存地址的缓存

处理器使用总线锁就是来解决这个问题的。所谓总线锁就是使用处理器提供的一个LOCK\#信号，当一个处理器在总线上输出此信号时，其他处理器的请求将被阻塞住,那么该处理器可以独占使用共享内存。

**3）使用缓存锁保证原子性**  
**第二个机制是通过缓存锁定保证原子性**。在同一时刻我们只需保证对某个内存地址的操 作是原子性即可，但总线锁定把CPU和内存之间通信锁住了，这使得锁定期间，其他处理器 不能操作其他内存地址的数据，所以总线锁定的开销比较大，最近的处理器在某些场合下使 用缓存锁定代替总线锁定来进行优化

频繁使用的内存会缓存在处理器的L1，L2和L3高速缓存里，那么原子操作就可以直接 在处理器内部缓存中进行，并不需要声明总线锁，在奔腾6和最近的处理器中可以使用“缓存锁定”的方式来实现复杂的原子性。所谓“缓存锁定”就是如果缓存在处理器缓存行中内 存区域在LOCK操作期间被锁定，当它执行锁操作回写内存时，处理器不在总线上声言 LOCK\#信号，而是修改内部的内存地址，并允许它的缓存一致性机制来保证操作的原子 性，因为缓存一致性机制会阻止同时修改被两个以上处理器缓存的内存区域数据，当其他处 理器回写已被锁定的缓存行的数据时会起缓存行无效，在例1中，当CPU1修改缓存行中的i 时使用缓存锁定，那么CPU2就不能同时缓存了i的缓存行。

**但是有两种情况下处理器不会使用缓存锁定**。第一种情况是:当操作的数据不能被缓存 在处理器内部，或操作的数据跨多个缓存行(cache line)，则处理器会调用总线锁定。第 二种情况是:有些处理器不支持缓存锁定。对于Inter486和奔腾处理器,就算锁定的内存区 域在处理器的缓存行中也会调用总线锁定。

以上两个机制我们可以通过Inter处理器提供了很多LOCK前缀的指令来实现。比如位测 试和修改指令BTS，BTR，BTC，交换指令XADD，CMPXCHG和其他一些操作数和逻辑指 令，比如ADD(加)，OR(或)等，被这些指令操作的内存区域就会加锁，导致其他处理 器不能同时访问它。

**4）Java当中如何实现原子操作**  
在java中可以通过锁和循环CAS的方式来实现原子操作。 JVM中的CAS操作正是利用了上文中提到的处理器提供的CMPXCHG指令实现的。自  
旋CAS实现的基本思路就是循环进行CAS操作直到成功为止，具体的类可以参见juc下的 atomic包内的原子类。

### Atomic ###

在Atomic包里一共有12个类，四种原子更新方式，分别是原子更新基本类型，原子更  
新数组，原子更新引用和原子更新字段。Atomic包里的类基本都是使用Unsafe实现的包装  
类。  
**基本类**:AtomicInteger、AtomicLong、AtomicBoolean;  
**引用类型**:AtomicReference、AtomicReference的ABA实例、 AtomicStampedRerence、AtomicMarkableReference;  
**数组类型**:AtomicIntegerArray、AtomicLongArray、AtomicReferenceArray 属性**原子修改器(Updater)**:AtomicIntegerFieldUpdater、 AtomicLongFieldUpdater、AtomicReferenceFieldUpdater

**1、原子更新基本类型类**  
用于通过原子的方式更新基本类型，Atomic包提供了以下三个类:

*  AtomicBoolean:原子更新布尔类型。
 *  AtomicInteger:原子更新整型。
 *  AtomicLong:原子更新长整型。

**AtomicInteger的常用方法如下:**

*  int addAndGet(int delta) :以原子方式将输入的数值与实例中的值 (AtomicInteger里的value)相加，并返回结果
 *  boolean compareAndSet(int expect, int update) :如果输入的数值等于预期 值，则以原子方式将该值设置为输入的值。
 *  int getAndIncrement():以原子方式将当前值加1，注意:这里返回的是自增 前的值。
 *  void lazySet(int newValue):最终会设置成newValue，使用lazySet设置值 后，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。
 *  int getAndSet(int newValue):以原子方式设置为newValue的值，并返回旧 值。

Atomic包提供了三种基本类型的原子更新，但是Java的基本类型里还有char，float和 double等。那么问题来了，如何原子的更新其他的基本类型呢?Atomic包里的类基本都是 使用Unsafe实现的，Unsafe只提供了三种CAS方法，compareAndSwapObject， compareAndSwapInt和compareAndSwapLong，再看AtomicBoolean源码，发现其是 先把Boolean转换成整型，再使用compareAndSwapInt进行CAS，所以原子更新double 也可以用类似的思路来实现。

**2、原子更新数组类**  
通过原子的方式更新数组里的某个元素，Atomic包提供了以下三个类:

*  AtomicIntegerArray:原子更新整型数组里的元素。
 *  AtomicLongArray:原子更新长整型数组里的元素。
 *  AtomicReferenceArray:原子更新引用类型数组里的元素。
 *  AtomicIntegerArray类主要是提供原子的方式更新数组里的整型，其常用方法如下
 *  int addAndGet(int i, int delta):以原子方式将输入值与数组中索引i的元素相 加。
 *  boolean compareAndSet(int i, int expect, int update):如果当前值等于预期值，则以原子方式将数组位置i的元素设置成update值。

**3、原子更新引用类型**  
原子更新基本类型的AtomicInteger，只能更新一个变量，如果要原子的更新多个变  
量，就需要使用这个原子更新引用类型提供的类。Atomic包提供了以下三个类:

*  AtomicReference:原子更新引用类型。
 *  AtomicReferenceFieldUpdater:原子更新引用类型里的字段。
 *  AtomicMarkableReference:原子更新带有标记位的引用类型。可以原子的更  
    新一个布尔类型的标记位和引用类型。构造方法是AtomicMarkableReference(V  
    initialRef, boolean initialMark)

**4、原子更新字段类**  
如果我们只需要某个类里的某个字段，那么就需要使用原子更新字段类，Atomic包提  
供了以下三个类:

*  AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型的字段的更新器
 *  AtomicLongFieldUpdater:原子更新长整型字段的更新器
 *  AtomicStampedReference:原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于原子的更数据和数据的版本号，可以解决使用CAS进行原子 更新时，可能出现的ABA问题。

原子更新字段类都是抽象类，每次使用都时候必须使用静态方法newUpdater创建一个 更新器。原子更新类的字段的必须使用public volatile修饰符。

### Unsafe应用解析 ###

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使Java语言拥有了 类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。 在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语 言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。

Unsafe类为一单例实现，提供静态方法getUnsafe获取Unsafe实例，当且仅当调用  
getUnsafe方法的类为引导类加载器所加载时才合法，否则抛出SecurityException异常。  
![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTEzNDMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 2]  
**如何获取Unsafe实例?**  
1、从 getUnsafe方法的使用限制条件出发，通过Java命令行命令 Xbootclasspath/a把调用Unsafe相关方法的类A所在jar包路径追加到默认的bootstrap路径中，使得A被引导类加载器加载，从而通过Unsafe.getUnsafe方法安全的获取Unsafe实例。  
java Xbootclasspath/a:$\{path\} // 其中path为调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径  
2、通过反射获取单例对象theUnsafe。

public class UnsafeInstance {
        
    
       public static Unsafe reflectGetUnsafe() {
        
           try {
        
               Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
               field.setAccessible(true);
               return (Unsafe) field.get(null);
           } catch (Exception e) {
        
               e.printStackTrace();
           }
           return null;
       }
    }

**Unsafe功能介绍**  
Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class相关、对象操作、线程调度、系 统信息获取、内存屏障、数组操作等几类，下面将对其相关方法和应用场景进行详细 介绍。![在这里插入图片描述][watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTEzNDMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center 3]  
**1、内存操作**  
这部分主要包含堆外内存的分配、拷贝、释放、给定地址值操作等方法。

public class DirectMemoryAccessTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            Unsafe unsafe = UnsafeInstance.reflectGetUnsafe();
    
            long oneHundred = 1;
            byte size = 1;
    
            /*
             * 调用allocateMemory分配内存
             */
            long memoryAddress = unsafe.allocateMemory(size);
    
            /*
             * 将1写入到内存中
             */
            unsafe.putAddress(memoryAddress, oneHundred);
    
            /*
             * 内存中读取数据
             */
            long readValue = unsafe.getAddress(memoryAddress);
    
            System.out.println("value : " + readValue);
        }
    }

通常，我们在Java中创建的对象都处于堆内内存(heap)中，堆内内存是由JVM 所管控的Java进程内存，并且它们遵循JVM的内存管理机制，JVM会采用垃圾回收机 制统一管理堆内存。与之相对的是堆外内存，存在于JVM管控之外的内存区域，Java 中对堆外内存的操作，依赖于Unsafe提供的操作堆外内存的native方法。

使用堆外内存的原因

*  对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是JVM，所以 当我们使用堆外内存时，即可保持较小的堆内内存规模。从而在GC时减少回收停顿 对于应用的影响。
 *  提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信过程中，会存在堆内内存到堆外内存的 数据拷贝操作，对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据，都建议存储到堆外内存。

**2、内存屏障**  
在Java 8中引入，用于定义内存屏障(也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等，是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的 所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作)，避免代码重排序。

public class FenceTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().loadFence();//读屏障
    
            UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().storeFence();//写屏障
    
            UnsafeInstance.reflectGetUnsafe().fullFence();//读写屏障
    
        }
    }

**3、线程调度**  
包括线程挂起、恢复、锁机制等方法。方法park、unpark即可实现线程的挂起与恢复，将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，  
park方法被调用，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现;  
unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。

public class ThreadParkerTest {
        
    
        public static void main(String[] args) {
        
    
            /*Thread t = new Thread(new Runnable() {
                @Override
                public void run() {
                    System.out.println("thread - is running----");
                    LockSupport.park();//阻塞当前线程
                    System.out.println("thread is over-----");
                }
            });
    
            t.start();
    
            try {
                Thread.sleep(1000);
            } catch (InterruptedException e) {
                e.printStackTrace();
            }
            LockSupport.unpark(t);//唤醒指定的线程*/
    
            //拿出票据使用
            LockSupport.park();
    
            System.out.println("main thread is over");
            //相当于先往池子里放了一张票据
            LockSupport.unpark(Thread.currentThread());//Pthread_mutex
    
            System.out.println("im running step 1");
    
        }
    
    }

[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L3FxXzM5NTEzNDMw_size_16_color_FFFFFF_t_70_pic_center]: /images/20221120/0fdcfdc095714014991273e3cc3c075c.png
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