Java并發(fā)編程Unsafe類的源碼分析以及Unsafe類的使用方法

本篇內(nèi)容介紹了“Java并發(fā)編程Unsafe類的源碼分析以及Unsafe類的使用方法”的有關(guān)知識，在實(shí)際案例的操作過程中，不少人都會遇到這樣的困境，接下來就讓小編帶領(lǐng)大家學(xué)習(xí)一下如何處理這些情況吧！希望大家仔細(xì)閱讀，能夠?qū)W有所成！

一.Unsafe類的源碼分析

JDK的rt.jar包中的Unsafe類提供了硬件級別的原子操作，Unsafe里面的方法都是native方法，通過使用JNI的方式來訪問本地C++實(shí)現(xiàn)庫。

rt.jar 中 Unsafe 類主要函數(shù)講解， Unsafe 類提供了硬件級別的原子操作，可以安全的直接操作內(nèi)存變量，其在 JUC 源碼中被廣泛的使用，了解其原理為研究 JUC 源碼奠定了基礎(chǔ)。

首先我們先了解Unsafe類中主要方法的使用，如下：

　　1.long objectFieldOffset(Field field)  方法：返回指定的變量在所屬類的內(nèi)存偏移地址，偏移地址僅僅在該Unsafe函數(shù)中訪問指定字段時使用。如下代碼使用unsafe獲取AtomicLong中變量value在AtomicLong對象中的內(nèi)存偏移，代碼如下：

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

 }

　　2.int arrayBaseOffset(Class arrayClass)方法：獲取數(shù)組中第一個元素的地址 

　　3.int arrayIndexScale(Class arrayClass)方法：獲取數(shù)組中單個元素占用的字節(jié)數(shù) 

　　3.boolean compareAndSwapLong(Object obj,long offset,long expect,long update)方法：比較對象obj中偏移量offset的變量的值是不是和expect相等，相等則使用update值更新，然后返回true，否則返回false。 

　　4.public native long getLongVolative(Object obj,long offset)方法：獲取對象obj中偏移量offset的變量對應(yīng)的volative內(nèi)存語義的值。 

　　5.void putOrderedLong(Object obj, long offset, long value) 方法：設(shè)置 obj 對象中 offset 偏移地址對應(yīng)的 long 型 field 的值為 value。這是有延遲的 putLongVolatile 方法，并不保證值修改對其它線程立刻可見。變量只有使用 volatile 修飾并且期望被意外修改的時候使用才有用。 

　　6.void park(boolean isAbsolute, long time) 方法：阻塞當(dāng)前線程，其中參數(shù) isAbsolute 等于 false 時候，time 等于 0 表示一直阻塞，time 大于 0 表示等待指定的 time 后阻塞線程會被喚醒，這個 time 是個相對值，是個增量值，也就是相對當(dāng)前時間累加 time 后當(dāng)前線程就會被喚醒。 如果 isAbsolute 等于 true，并且 time 大于 0 表示阻塞后到指定的時間點(diǎn)后會被喚醒，這里 time 是個絕對的時間，是某一個時間點(diǎn)換算為 ms 后的值。另外當(dāng)其它線程調(diào)用了當(dāng)前阻塞線程的 interrupt 方法中斷了當(dāng)前線程時候，當(dāng)前線程也會返回，當(dāng)其它線程調(diào)用了 unpark 方法并且把當(dāng)前線程作為參數(shù)時候當(dāng)前線程也會返回。 

　　7.void unpark(Object thread)方法： 喚醒調(diào)用 park 后阻塞的線程，參數(shù)為需要喚醒的線程。 

在JDK1.8中新增加了幾個方法，這里簡單的列出Long類型操作的方法如下：

　　8.long getAndSetLong(Object obj, long offset, long update) 方法： 獲取對象 obj 中偏移量為 offset 的變量 volatile 語義的值，并設(shè)置變量 volatile 語義的值為 update。使用方法如下代碼：

public final long getAndSetLong(Object obj, long offset, long update)
 {
 long l;
 do
 {
 l = getLongVolatile(obj, offset);//(1)
 } while (!compareAndSwapLong(obj, offset, l, update));
 return l;
 }

從代碼中可以內(nèi)部代碼（1）處使用了getLongVolative獲取當(dāng)前變量的值，然后使用CAS原子操作進(jìn)行設(shè)置新值，這里使用while循環(huán)是考慮到多個線程同時調(diào)用的情況CAS失敗后需要自旋重試。 

　　9.long getAndAddLong(Object obj, long offset, long addValue) 方法 ：獲取對象 obj 中偏移量為 offset 的變量 volatile 語義的值，并設(shè)置變量值為原始值 +addValue。使用方法如下代碼：

public final long getAndAddLong(Object obj, long offset, long addValue)
 {
 long l;
 do
 {
 l = getLongVolatile(obj, offset);
 } while (!compareAndSwapLong(obj, offset, l, l + addValue));
 return l;
 }

類似于getAndSetLong的實(shí)現(xiàn)，只是這里使用CAS的時候使用了原始值+傳遞的增量參數(shù)addValue的值。 

那么如何使用Unsafe類呢？

　　看到 Unsafe 這個類如此牛叉，是不是很想進(jìn)行練習(xí)，好了，首先看如下代碼所示：

package com.hjc;
import sun.misc.Unsafe;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class TestUnSafe {
 //獲取Unsafe的實(shí)例（2.2.1）
 static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
 //記錄變量state在類TestUnSafe中的偏移值（2.2.2）
 static final long stateOffset;
 //變量(2.2.3)
 private volatile long state = 0;
 static {
 try {
  //獲取state變量在類TestUnSafe中的偏移值(2.2.4)
  stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(TestUnSafe.class.getDeclaredField("state"));

 } catch (Exception ex) {
  System.out.println(ex.getLocalizedMessage());
  throw new Error(ex);
 }
 }

 public static void main(String[] args) {
 //創(chuàng)建實(shí)例，并且設(shè)置state值為1(2.2.5)
 TestUnSafe test = new TestUnSafe();
 //(2.2.6)
 Boolean sucess = unsafe.compareAndSwapInt(test, stateOffset, 0, 1);
 System.out.println(sucess);
 }
}

代碼（2.2.1）獲取了Unsafe的一個實(shí)例，代碼（2.2.3）創(chuàng)建了一個變量state初始化為0.

代碼（2.2.4）使用unsafe.objectFieldOffset 獲取 TestUnSafe類里面的state變量 在 TestUnSafe對象里面的內(nèi)存偏移量地址并保存到stateOffset變量。

代碼（2.2.6）調(diào)用創(chuàng)建的unsafe實(shí)例的compareAndSwapInt方法，設(shè)置test對象的state變量的值，具體意思是如果test對象內(nèi)存偏移量為stateOffset的state的變量為0，則更新改值為1 

上面代碼我們希望輸入true，然而執(zhí)行后會輸出如下結(jié)果：

為什么會這樣呢？必然需要進(jìn)入getUnsafe代碼中如看看里面做了啥：

private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
 public static Unsafe getUnsafe(){
 //（2.2.7）
 Class localClass = Reflection.getCallerClass();
 //（2.2.8)
 if (!VM.isSystemDomainLoader(localClass.getClassLoader())) {
 throw new SecurityException("Unsafe");
 }
 return theUnsafe;
}

 //判斷paramClassLoader是不是BootStrap類加載器(2.2.9)
 public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader paramClassLoader){
 return paramClassLoader == null;
 }

代碼（2.2.7）獲取調(diào)用getUnsafe這個方法的對象的Class對象，這里是TestUnSafe.calss。

代碼（2.2.8）判斷是不是Bootstrap類加載器加載的localClass，這里關(guān)鍵要看是不是Bootstrap加載器加載了TestUnSafe.class?？催^Java虛擬機(jī)的類加載機(jī)制的人，很明顯看出是由于TestUnSafe.class 是使用 AppClassLoader 加載的，所以這里直接拋出了異常。

那么問題來了，為什么需要有這個判斷呢？

我們知道Unsafe類是在rt.jar里面提供的，而rt.jar里面的類是使用Bootstrap類加載器加載的，而我們啟動main函數(shù)所在的類是使用AppClassLoader加載的，所以在main函數(shù)里面加載Unsafe類時候鑒于雙親委派機(jī)制會委托給Bootstrap去加載Unsafe類。

如果沒有代碼（2.2.8）這個鑒權(quán)，那么我們應(yīng)用程序就可以隨意使用Unsafe做事情了，而Unsafe類可以直接操作內(nèi)存，是很不安全的，所以JDK開發(fā)組特意做了這個限制，不讓開發(fā)人員在正規(guī)渠道下使用Unsafe類，而是在rt.jar里面的核心類里面使用Unsafe功能。 

問題來了，如果我們真的想要實(shí)例化Unsafe類，使用Unsafe的功能，那該怎么辦呢？

我們不要忘記了反射這個黑科技，使用萬能的反射來獲取Unsafe的實(shí)例方法，代碼如下：

package com.hjc;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class TestUnSafe {
 static final Unsafe unsafe;
 static final long stateOffset;
 private volatile long state = 0;
 static {
 try {
  // 反射獲取 Unsafe 的成員變量 theUnsafe（2.2.10）
  Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
  // 設(shè)置為可存?。?.2.11）
  field.setAccessible(true);

  // 獲取該變量的值（2.2.12）
  unsafe = (Unsafe) field.get(null);
  //獲取 state 在 TestUnSafe 中的偏移量 （2.2.13）
  stateOffset = unsafe.objectFieldOffset(TestUnSafe.class.getDeclaredField("state"));
 } catch (Exception ex) {
  System.out.println(ex.getLocalizedMessage());
  throw new Error(ex);
 }
 }

 public static void main(String[] args) {
 TestUnSafe test = new TestUnSafe();
 Boolean sucess = unsafe.compareAndSwapInt(test, stateOffset, 0, 1);
 System.out.println(sucess);
 }
}

如果上面的代碼（2.2.10    2.2.11   2.2.12）反射獲取unsafe的實(shí)例，運(yùn)行結(jié)果如下：

二.LockSupport類源碼探究

JDK中的rt.jar里面的LockSupport是一個工具類，主要作用是掛起和喚醒線程，它是創(chuàng)建鎖和其他同步類的基礎(chǔ)。

LockSupport類與每個使用他的線程都會關(guān)聯(lián)一個許可證，默認(rèn)調(diào)用LockSupport 類的方法的線程是不持有許可證的，LockSupport內(nèi)部使用Unsafe類實(shí)現(xiàn)。

這里要注意LockSupport的幾個重要的函數(shù)，如下：

　　1.void park() 方法： 如果調(diào)用 park() 的線程已經(jīng)拿到了與 LockSupport 關(guān)聯(lián)的許可證，則調(diào)用 LockSupport.park() 會馬上返回，否者調(diào)用線程會被禁止參與線程的調(diào)度，也就是會被阻塞掛起。例子如下代碼：

package com.hjc;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class LockSupportTest {
 public static void main( String[] args ) {
 System.out.println( "park start!" );
 LockSupport.park();
 System.out.println( "park stop!" );
 }
}

如上面代碼所示，直接在main函數(shù)里面調(diào)用park方法，最終結(jié)果只會輸出park start!  然后當(dāng)前線程會被掛起，這是因?yàn)槟J(rèn)下調(diào)用線程是不持有許可證的。運(yùn)行結(jié)果如下：

在看到其他線程調(diào)用 unpark(Thread thread) 方法并且當(dāng)前線程作為參數(shù)時候，調(diào)用park方法被阻塞的線程會返回，另外其他線程調(diào)用了阻塞線程的interrupt（）方法，設(shè)置了中斷標(biāo)志時候或者由于線程的虛假喚醒原因后阻塞線程也會返回，所以調(diào)用 park() 最好也是用循環(huán)條件判斷方式。

需要注意的是調(diào)用park（）方法被阻塞的線程被其他線程中斷后阻塞線程返回時候并不會拋出InterruptedException 異常。

　　2.void unpark(Thread thread) 方法 當(dāng)一個線程調(diào)用了 unpark 時候，如果參數(shù) thread 線程沒有持有 thread 與 LockSupport 類關(guān)聯(lián)的許可證，則讓 thread 線程持有。如果 thread 之前調(diào)用了 park() 被掛起，則調(diào)用 unpark 后，該線程會被喚醒。

如果 thread 之前沒有調(diào)用 park，則調(diào)用 unPark 方法后，在調(diào)用 park() 方法，會立刻返回，上面代碼修改如下：

package com.hjc;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class LockSupportTest {
 public static void main( String[] args ) {
 System.out.println( "park start!" );
 //使當(dāng)前線程獲取到許可證
 LockSupport.unpark(Thread.currentThread());
 //再次調(diào)用park
 LockSupport.park();
 System.out.println( "park stop!" );
 }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

 接下來我們在看一個例子來加深對 park,unpark 的理解，代碼如下：

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class LockSupportTest {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread thread = new Thread(new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  System.out.println("子線程 park start!");
  // 調(diào)用park方法，掛起自己
  LockSupport.park();
  System.out.println("子線程 unpark!");
  }
 });

 //啟動子線程
 thread.start();
 //主線程休眠1S
 Thread.sleep(1000);
 System.out.println("主線程 unpark start!");
 //調(diào)用unpark讓thread線程持有許可證，然后park方法會返回
 LockSupport.unpark(thread);
 }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

上面的代碼首先創(chuàng)建了一個子線程thread,啟動后子線程調(diào)用park方法，由于默認(rèn)子線程沒有持有許可證，會把自己掛起

主線程休眠1s 目的是主線程在調(diào)用unpark方法讓子線程輸出 子線程park start! 并阻塞。

主線程然后執(zhí)行unpark方法，參數(shù)為子線程，目的是讓子線程持有許可證，然后子線程調(diào)用的park方法就返回了。

park方法返回時候不會告訴你是因?yàn)楹畏N原因返回，所以調(diào)用者需要根據(jù)之前是處于什么目前調(diào)用的park方法，再次檢查條件是否滿足，如果不滿足的話，還需要再次調(diào)用park方法。

例如，線程在返回時的中斷狀態(tài)，根據(jù)調(diào)用前后中斷狀態(tài)對比就可以判斷是不是因?yàn)楸恢袛嗖欧祷氐摹?/p>

為了說明調(diào)用 park 方法后的線程被中斷后會返回，修改上面例子代碼，刪除 LockSupport.unpark(thread); 然后添加 thread.interrupt(); 代碼如下：

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class LockSupportTest {
 public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
 Thread thread = new Thread(new Runnable() {
  @Override
  public void run() {
  System.out.println("子線程 park start!");
  // 調(diào)用park方法，掛起自己,只有中斷才會退出循環(huán)
  while (!Thread.currentThread().isInterrupted()) {
   LockSupport.park();

  }
  System.out.println("子線程 unpark!");
  }
 });

 //啟動子線程
 thread.start();
 //主線程休眠1S
 Thread.sleep(1000);
 System.out.println("主線程 unpark start!");
 //中斷子線程
 thread.interrupt();
 }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

正如上面代碼，也就是只有當(dāng)子線程被中斷后子線程才會運(yùn)行結(jié)束，如果子線程不被中斷，即使你調(diào)用unPark(Thread) 子線程也不會結(jié)束。

　　3.void parkNanos(long nanos)方法：和 park 類似，如果調(diào)用 park 的線程已經(jīng)拿到了與 LockSupport 關(guān)聯(lián)的許可證，則調(diào)用 LockSupport.park() 會馬上返回，不同在于如果沒有拿到許可調(diào)用線程會被掛起 nanos 時間后在返回。

park 還支持三個帶有blocker參數(shù)的方法，當(dāng)線程因?yàn)闆]有持有許可證的情況下調(diào)用park  被阻塞掛起的時候，這個blocker對象會被記錄到該線程內(nèi)部。

使用診斷工具可以觀察線程被阻塞的原因，診斷工具是通過調(diào)用getBlocker（Thread）方法來獲取該blocker對象的，所以JDK推薦我們使用帶有blocker參數(shù)的park方法，并且blocker設(shè)置為this,這樣當(dāng)內(nèi)存dump排查問題時候就能知道是哪個類被阻塞了。

例子如下：

import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class TestPark {
 public void testPark(){
  LockSupport.park();//(1)
 }
 public static void main(String[] args) {
  TestPark testPark = new TestPark();
  testPark.testPark();
 }
}

運(yùn)行結(jié)果如下：

可以看到運(yùn)行在阻塞，那么我們要使用JDK/bin目錄下的工具看一下了，如果不知道的讀者，建議去先看一下JVM的監(jiān)控工具。

運(yùn)行后使用jstack pid 查看線程堆棧的時候，可以看到的結(jié)果如下：

然后我們進(jìn)行上面的代碼（1）進(jìn)行修改如下：

 LockSupport.park(this);//(1)

再次運(yùn)行，再用jstack pid 查看的結(jié)果如下：

可以知道，帶blocker的park方法后，線程堆?？梢蕴峁└嘤嘘P(guān)阻塞對象的信息。

那么我們接下來進(jìn)行park(Object blocker) 函數(shù)的源代碼查看，源碼如下：

public static void park(Object blocker) {
 //獲取調(diào)用線程
 Thread t = Thread.currentThread();
 //設(shè)置該線程的 blocker 變量
 setBlocker(t, blocker);
 //掛起線程
 UNSAFE.park(false, 0L);
 //線程被激活后清除 blocker 變量，因?yàn)橐话愣际蔷€程阻塞時候才分析原因
 setBlocker(t, null);
}

Thread類里面有個變量volatile Object parkBlocker 用來存放park傳遞的blocker對象，也就是把blocker變量存放到了調(diào)用park方法的線程的成員變量里面

　　4.void parkNanos(Object blocker, long nanos) 函數(shù) 相比 park(Object blocker) 多了個超時時間。

　　5.void parkUntil(Object blocker, long deadline)  parkUntil源代碼如下：

public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) {
  Thread t = Thread.currentThread();
  setBlocker(t, blocker);
  //isAbsolute=true,time=deadline;表示到 deadline 時間時候后返回
  UNSAFE.park(true, deadline);
  setBlocker(t, null);
 }

可以看到是一個設(shè)置deadline，時間單位為milliseconds，是從1970到現(xiàn)在某一個時間點(diǎn)換算為毫秒后的值，這個和parkNanos（Object blocker,long nanos）區(qū)別是后者是從當(dāng)前算等待nanos時間的，而前者是指定一個時間點(diǎn)，

比如我們需要等待到2018.06.06 日 20：34，則把這個時間點(diǎn)轉(zhuǎn)換為從1970年到這個時間點(diǎn)的總毫秒數(shù)。

我們再來看一個例子，代碼如下：

import java.util.Queue;
import java.util.concurrent.ConcurrentLinkedQueue;
import java.util.concurrent.atomic.AtomicBoolean;
import java.util.concurrent.locks.LockSupport;
/**
 * Created by cong on 2018/6/6.
 */
public class FIFOMutex {
 private final AtomicBoolean locked = new AtomicBoolean(false);
 private final Queue<Thread> waiters = new ConcurrentLinkedQueue<Thread>();
 public void lock() {
  boolean wasInterrupted = false;
  Thread current = Thread.currentThread();
  waiters.add(current);
  // 只有隊(duì)首的線程可以獲取鎖（1）
  while (waiters.peek() != current || !locked.compareAndSet(false, true)) {
   LockSupport.park(this);
   if (Thread.interrupted()) // （2）
    wasInterrupted = true;
  }

  waiters.remove();
  if (wasInterrupted) // （3）
   current.interrupt();
 }

 public void unlock() {
  locked.set(false);
  LockSupport.unpark(waiters.peek());
 } 
}

可以看到這是一個先進(jìn)先出的鎖，也就是只有隊(duì)列首元素可以獲取所，代碼（1）如果當(dāng)前線程不是隊(duì)首或者當(dāng)前鎖已經(jīng)被其他線程獲取，則調(diào)用park方法掛起自己。

接著代碼（2）做判斷，如果park方法是因?yàn)楸恢袛喽祷?，則忽略中斷，并且重置中斷標(biāo)志，只做個標(biāo)記，然后再次判斷當(dāng)前線程是不是隊(duì)首元素或者當(dāng)先鎖是否已經(jīng)被其他線程獲取，如果是則繼續(xù)調(diào)用park方法掛起自己。

然后代碼（3）中如果標(biāo)記為true 則中斷該線程，這個怎么理解呢？其實(shí)就是其他線程中斷了該線程，雖然我對中斷信號不感興趣，忽略它，但是不代表其他線程對該標(biāo)志不感興趣，所以要恢復(fù)下。

“Java并發(fā)編程Unsafe類的源碼分析以及Unsafe類的使用方法”的內(nèi)容就介紹到這里了，感謝大家的閱讀。如果想了解更多行業(yè)相關(guān)的知識可以關(guān)注億速云網(wǎng)站，小編將為大家輸出更多高質(zhì)量的實(shí)用文章！