Java并发编程基础-Unsafe

1. 前言：
   Unsafe是Java中一个底层类，包含了很多基础的操作，比如数组操作、对象操作、内存操作、CAS操作、线程(park)操作、栅栏（Fence）操作，JUC包、一些三方框架都使用Unsafe类来保证并发安全。
2. 介绍：
   1. 获取Unsafe对象
      Unsafe构造方法为私有，虽然提供了一个getUnsafe静态方法，但会判断加载这个类的加载器是否为null，即判断加载器是否为Bootstrap ClassLoader。用户创建的类默认都是由App ClassLoader进行加载，因此自己编写的代码不使用特殊方式是无法获取到Unsafe实例，观察源码得知，可以使用反射获取theUnsafe属性，从而获得实例，代码示例如下：

      Unsafe unsafe = null;
      //get unsafe object
      Field getUnsafe = null;
      try {
          getUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
          getUnsafe.setAccessible(true);
          unsafe = (Unsafe) getUnsafe.get(null);
      } catch (NoSuchFieldException e) {
          e.printStackTrace();
      }

   2. 基本操作
      1. 数组操作
         可以获取数组的在内容中的基本偏移量（arrayBaseOffset），获取数组内元素的间隔（比例），根据数组对象和偏移量获取元素值（getObject），设置数组元素值（putObject），示例如下。

         

         String[] strings = new String[]{"1","2","3"};
         long i = unsafe.arrayBaseOffset(String[].class);
         System.out.println("string[] base offset is :"+i);
         //every index scale
         long scale = unsafe.arrayIndexScale(String[].class);
         System.out.println("string[] index scale is "+scale);
         //print first string in strings[]
         System.out.println("first element is :"+unsafe.getObject(strings, i));
         //set 100 to first string
         unsafe.putObject(strings,i+scale*0,"100");
         //print first string in strings[] again
         System.out.println("after set ,first element is :"+unsafe.getObject(strings, i+scale*0));

      2. 对象操作
         可以通过类的class对象创建类对象（allocateInstance），获取对象属性的偏移量（objectFieldOffset），通过偏移量设置对象的值（putObject），示例如下。

         

         public class User {
             private String username;
         
             private int age;
         
             public int getAge() {
                 return age;
             }
         
             public void setAge(int age) {
                 this.age = age;
             }
         
             public String getUsername() {
                 return username;
             }
         
             public void setUsername(String username) {
                 this.username = username;
             }
         
         }

         try {
             User user = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
             //simple set username
             user.setUsername("123");
             System.out.println("simple set,allocate Intstance user name："+user.getUsername());
             Field usernameField = User.class.getDeclaredField("username");
             long objectFieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(usernameField);
             //use unsafe set
             unsafe.putObject(user,objectFieldOffset,"456");
             System.out.println("use unsafe,allocate Intstance user name："+user.getUsername());
         } catch (InstantiationException e) {
             e.printStackTrace();
         } catch (NoSuchFieldException e) {
             e.printStackTrace();
         }

      3. 内存操作
         可以在Java内存区域中分配内存（allocateMemory），设置内存（setMemory，用于初始化），在指定的内存位置中设置值（putInt\putBoolean\putDouble等基本类型），示例如下。

         //分配一个8byte的内存
         long address = unsafe.allocateMemory(8L);
         //初始化内存填充0
         unsafe.setMemory(address,8L,(byte) 0);
         //测试输出
         System.out.println("add byte to memory:"+unsafe.getInt(address));
         //设置0-3 4个byte为0x7fffffff
         unsafe.putInt(address,0x7fffffff);
         //设置4-7 4个byte为0x80000000
         unsafe.putInt(address+4,0x80000000);
         //int占用4byte
         System.out.println("add byte to memory:"+unsafe.getInt(address));
         System.out.println("add byte to memory:"+unsafe.getInt(address+4));

      4. 常量获取
         可以获取地址大小（addressSize），页大小（pageSize），基本类型数组的偏移量（Unsafe.ARRAY_INT_BASE_OFFSET\Unsafe.ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET等）、基本类型数组内元素的间隔（Unsafe.ARRAY_INT_INDEX_SCALE\Unsafe.ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE等），示例如下。
          

         //get os address size
         System.out.println("address size is :"+unsafe.addressSize());
         //get os page size
         System.out.println("page size is :"+unsafe.pageSize());
         //int array base offset
         System.out.println("unsafe array int base offset:"+Unsafe.ARRAY_INT_BASE_OFFSET);

      5. 线程许可
         许可线程通过（park），或者让线程等待许可(unpark)，示例如下。

         Thread parkThread = new Thread(new Runnable() {
             @Override
             public void run() {
                 long startTime = System.currentTimeMillis();
                 //纳秒，相对时间park
                 unsafe.park(false,3000000000L);
                 //毫秒，绝对时间park
                 //unsafe.park(true,System.currentTimeMillis()+3000);
         
                 System.out.println("main thread end,cost :"+(System.currentTimeMillis()-startTime)+"ms");
             }
         });
         parkThread.start();
         try {
             TimeUnit.SECONDS.sleep(1);
         } catch (InterruptedException e) {
             e.printStackTrace();
         }
         //注释掉下一行后，线程3秒数后进行输出,否则在1秒后输出
         unsafe.unpark(parkThread);

      6. CAS操作
         Compare And Swap（比较并交换），当需要改变的值为期望的值时，那么就替换它为新的值，是原子（不可在分割）的操作。很多并发框架底层都用到了CAS操作，CAS操作优势是无锁，可以减少线程切换耗费的时间，但CAS经常失败运行容易引起性能问题，也存在ABA问题。在Unsafe中包含compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong三个方法，compareAndSwapInt的简单示例如下。

         //参考 介绍-基本操作-对象操作中的User定义
         User user = new User();
         user.setAge(1);
         try {
             Field ageField = user.getClass().getDeclaredField("age");
             long l = unsafe.objectFieldOffset(ageField);
             ageField.setAccessible(true);
             //比较并交换，比如age的值如果是所期望的值1，那么就替换为2，否则不做处理
             unsafe.compareAndSwapInt(user,l,1,2);
             System.out.println("user age is :" + user.getAge());
         
         } catch (NoSuchFieldException e) {
             e.printStackTrace();
         }

      7. 内存栅栏
         用于防止指令重排序，包含fullFence，loadFence，StoreFence三个方法。现代的CPU运行速度很快，很多指令重排序的例子已经无法得到想要的效果，因此借用stackoverflow上的一段伪代码示例。
          

         // CPU 0:
         void shutDownWithFailure(void)
         {
           failure = 1; // must use SOB as this is owned by CPU 1
           SFENCE // next instruction will execute after all SOBs are processed
           shutdown = 1; // can execute immediately as it is owned be CPU 0
         }
         // CPU1:
         void workLoop(void)
         {
           while (shutdown == 0) { ... }
           LFENCE // next instruction will execute after all LOBs are processed
           if (failure) { ...}
         }

PS：

• 在Java新版本开发的过程中，曾经传出Oracle要移除掉Unsafe类，引起了很大的恐慌，但在Java9发布时，发现jdk.internal.misc包路径出现了Unsafe类，不仅开放使用而且还增加了大量的注释方便理解，说明Java在开源的道路上依然在前进。
• 对于getXXVolatile的理解：如果一个Java变量被Volatile修饰，使用此方法则可以获得内存内最新的值，而不是线程缓存；如果普通的Java变量使用此方法，那么和使用getXX()方法效果一样，可能获取到的事线程缓存。

参考书籍及网址：

• 《深入理解Java虚拟机》
• https://stackoverflow.com/questions/23603304/java-8-unsafe-xxxfence-instructions

PS：研究基于MAC+Idea+JDK1.8 64位