Java 中的 Unsafe 和 CAS,你知道嗎?
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Unsafe
簡單講一下這個類。Java無法直接訪問底層操作系統(tǒng)，而是通過本地（native）方法來訪問。不過盡管如此，JVM還是開了一個后門，JDK中有一個類Unsafe，它提供了硬件級別的原子操作。
這個類盡管里面的方法都是public的，但是并沒有辦法使用它們，JDK API文檔也沒有提供任何關(guān)于這個類的方法的解釋?？偠灾?，對于Unsafe類的使用都是受限制的，只有授信的代碼才能獲得該類的實例，當然JDK庫里面的類是可以隨意使用的。
從第一行的描述可以了解到Unsafe提供了硬件級別的操作，比如說獲取某個屬性在內(nèi)存中的位置，比如說修改對象的字段值，即使它是私有的。不過Java本身就是為了屏蔽底層的差異，對于一般的開發(fā)而言也很少會有這樣的需求。
舉兩個例子，比方說：
public native long staticFieldOffset(Field paramField);
這個方法可以用來獲取給定的paramField的內(nèi)存地址偏移量，這個值對于給定的field是唯一的且是固定不變的。再比如說：
public native int arrayBaseOffset(Class paramClass);
public native int arrayIndexScale(Class paramClass);
前一個方法是用來獲取數(shù)組第一個元素的偏移地址，后一個方法是用來獲取數(shù)組的轉(zhuǎn)換因子即數(shù)組中元素的增量地址的。最后看三個方法：
public native long allocateMemory(long paramLong);
public native long reallocateMemory(long paramLong1, long paramLong2);
public native void freeMemory(long paramLong);
分別用來分配內(nèi)存，擴充內(nèi)存和釋放內(nèi)存的。
當然這需要有一定的C/C++基礎(chǔ)，對內(nèi)存分配有一定的了解，這也是為什么我一直認為C/C++開發(fā)者轉(zhuǎn)行做Java會有優(yōu)勢的原因。
CAS
CAS，Compare and Swap即比較并交換，設(shè)計并發(fā)算法時常用到的一種技術(shù)，java.util.concurrent包全完建立在CAS之上，沒有CAS也就沒有此包，可見CAS的重要性。
當前的處理器基本都支持CAS，只不過不同的廠家的實現(xiàn)不一樣罷了。CAS有三個操作數(shù)：內(nèi)存值V、舊的預(yù)期值A(chǔ)、要修改的值B，當且僅當預(yù)期值A(chǔ)和內(nèi)存值V相同時，將內(nèi)存值修改為B并返回true，否則什么都不做并返回false。
CAS也是通過Unsafe實現(xiàn)的，看下Unsafe下的三個方法：
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);
就拿中間這個比較并交換Int值為例好了，如果我們不用CAS，那么代碼大致是這樣的：
public int i = 1;
public boolean compareAndSwapInt(int j) {
if (i == 1) {
i = j;
return true;
}
return false;
}
當然這段代碼在并發(fā)下是肯定有問題的，有可能線程1運行到了第5行正準備運行第7行，線程2運行了，把i修改為10，線程切換回去，線程1由于先前已經(jīng)滿足第5行的if了，所以導致兩個線程同時修改了變量i。
解決辦法也很簡單，給compareAndSwapInt方法加鎖同步就行了，這樣，compareAndSwapInt方法就變成了一個原子操作。CAS也是一樣的道理，比較、交換也是一組原子操作，不會被外部打斷，先根據(jù)paramLong/paramLong1獲取到內(nèi)存當中當前的內(nèi)存值V，在將內(nèi)存值V和原值A(chǔ)作比較，要是相等就修改為要修改的值B，由于CAS都是硬件級別的操作，因此效率會高一些。
由CAS分析AtomicInteger原理
java.util.concurrent.atomic包下的原子操作類都是基于CAS實現(xiàn)的，下面拿AtomicInteger分析一下，首先是AtomicInteger類變量的定義：
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;
static {
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
private volatile int value;
關(guān)于這段代碼中出現(xiàn)的幾個成員屬性：
1、Unsafe是CAS的核心類，前面已經(jīng)講過了
2、valueOffset表示的是變量值在內(nèi)存中的偏移地址，因為Unsafe就是根據(jù)內(nèi)存偏移地址獲取數(shù)據(jù)的原值的
3、value是用volatile修飾的，這是非常關(guān)鍵的
下面找一個方法getAndIncrement來研究一下AtomicInteger是如何實現(xiàn)的，比如我們常用的addAndGet方法：
public final int addAndGet(int delta) {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + delta;
if (compareAndSet(current, next))
return next;
}
}
public final int get() {
return value;
}
這段代碼如何在不加鎖的情況下通過CAS實現(xiàn)線程安全，我們不妨考慮一下方法的執(zhí)行：
1、AtomicInteger里面的value原始值為3，即主內(nèi)存中AtomicInteger的value為3，根據(jù)Java內(nèi)存模型，線程1和線程2各自持有一份value的副本，值為3
2、線程1運行到第三行獲取到當前的value為3，線程切換
3、線程2開始運行，獲取到value為3，利用CAS對比內(nèi)存中的值也為3，比較成功，修改內(nèi)存，此時內(nèi)存中的value改變比方說是4，線程切換
4、線程1恢復(fù)運行，利用CAS比較發(fā)現(xiàn)自己的value為3，內(nèi)存中的value為4，得到一個重要的結(jié)論–>此時value正在被另外一個線程修改，所以我不能去修改它
5、線程1的compareAndSet失敗，循環(huán)判斷，因為value是volatile修飾的，所以它具備可見性的特性，線程2對于value的改變能被線程1看到，只要線程1發(fā)現(xiàn)當前獲取的value是4，內(nèi)存中的value也是4，說明線程2對于value的修改已經(jīng)完畢并且線程1可以嘗試去修改它
6、最后說一點，比如說此時線程3也準備修改value了，沒關(guān)系，因為比較-交換是一個原子操作不可被打斷，線程3修改了value，線程1進行compareAndSet的時候必然返回的false，這樣線程1會繼續(xù)循環(huán)去獲取最新的value并進行compareAndSet，直至獲取的value和內(nèi)存中的value一致為止
整個過程中，利用CAS機制保證了對于value的修改的線程安全性。
CAS的缺點
CAS看起來很美，但這種操作顯然無法涵蓋并發(fā)下的所有場景，并且CAS從語義上來說也不是完美的，存在這樣一個邏輯漏洞：如果一個變量V初次讀取的時候是A值，并且在準備賦值的時候檢查到它仍然是A值，那我們就能說明它的值沒有被其他線程修改過了嗎？如果在這段期間它的值曾經(jīng)被改成了B，然后又改回A，那CAS操作就會誤認為它從來沒有被修改過。這個漏洞稱為CAS操作的”ABA”問題。java.util.concurrent包為了解決這個問題，提供了一個帶有標記的原子引用類”AtomicStampedReference”，它可以通過控制變量值的版本來保證CAS的正確性。不過目前來說這個類比較”雞肋”，大部分情況下ABA問題并不會影響程序并發(fā)的正確性，如果需要解決ABA問題，使用傳統(tǒng)的互斥同步可能會比原子類更加高效。
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