Java unsafe操作指北

Unsafe是Java无锁操作的基石，在无锁并发类中都少不了它们的身影，比如ConcurrentHashMap, ConcurrentLinkedQueue, 都是由Unsafe类来实现的。相对于与Java中的锁，它基本无开销，会原地等待。本文主要介绍下Unsafe中的主要操作。

1 compareAndSwap

/**
* 比较obj的offset处内存位置中的值和期望的值，如果相同则更新。此更新是不可中断的。
* 
* @param obj 需要更新的对象
* @param offset obj中整型field的偏移量
* @param expect 希望field中存在的值
* @param update 如果期望值expect与field的当前值相同，设置filed的值为这个新值
* @return 如果field的值被更改返回true
*/
public native boolean compareAndSwapInt(Object obj, long offset, int expect, int update);

这个就是著名的CAS操作了，分为三步来做

1. 获取obj对象中为offset的偏移值，这里假设为realVal
2. 比较realVal和expect
3. 如果相同，将该值更新为update，否则不更新

CAS家族还包括有，compareAndSwapObject(), compareAndSwapLong(), compareAndSwapInt()等等

用AtomicInteger中一个经典的例子来说明：

public final int getAndAdd(int delta) {    
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

//unsafe.getAndAddInt
public final int getAndAddInt(Object var1, long var2, int var4) {
    int var5;
    do {
    /**获取原始值*/
        var5 = this.getIntVolatile(var1, var2);
    /**确认原始值没有被其它线程修改时，再执行更新var5+var4操作，如果
        被其它线程修改过了，则会原地等待，持续循环*/
    } while(!this.compareAndSwapInt(var1, var2, var5, var5 + var4));
    return var5;
}

这里可以看出CAS操作存在的问题，在低竞态情况下是ok的，但是在高竞态情况下，while循环会一直消耗cpu资源

2 putOrder

/***
   * Sets the value of the integer field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value.  This is an ordered or lazy
   * version of <code>putIntVolatile(Object,long,int)</code>, which
   * doesn't guarantee the immediate visibility of the change to other
   * threads.  It is only really useful where the integer field is
   * <code>volatile</code>, and is thus expected to change unexpectedly.
   *
   * @param obj the object containing the field to modify.
   * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
   * @param value the new value of the field.
   * @see #putIntVolatile(Object,long,int)
   */
  public native void putOrderedInt(Object obj, long offset, int value);

将obj对象的偏移量为offset的位置修改为value，因为Java中没有内存操作，而Unsafe的这个操作正好补充了内存操作的不足。也可以用于数组操作，比如ConcurrentHashMap中就大量用到了该操作

 Segment<K,V> s0 =
        new Segment<K,V>(loadFactor, (int)(cap * loadFactor),
                         (HashEntry<K,V>[])new HashEntry[cap]);
    Segment<K,V>[] ss = (Segment<K,V>[])new Segment[ssize];
    // 往数组下标为0的位置，写入s0: ss[0]=s0
    UNSAFE.putOrderedObject(ss, SBASE, s0); // ordered write of segments[0]

需要注意的是obj需要设置为Volatile,否则对于其它线程会不可见

该操作会插入一个#storestore的内存屏障，而非putXxxVolatile的#storeload的内存屏障，所以效率会高。所谓#storestore的内存屏障，是之虚拟机在对于这样的语句Store1; StoreStore; Store2，在Store2及后续写入操作执行前，保证Store1的写入操作对其它处理器可见。

3 putXxxVolatile

/***
   * Sets the value of the integer field at the specified offset in the
   * supplied object to the given value, with volatile store semantics.
   *
   * @param obj the object containing the field to modify.
   * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
   * @param value the new value of the field.
   */
  public native void putIntVolatile(Object obj, long offset, int value);

Volatile是会插入#storeload的内存屏障，效率略低

本篇为俺的课堂《Java基础：手写jdk》的前置知识，欢迎大家围观