java Unsafe类的compareAndSwap方法

本文介绍如何使用 Java 的 Unsafe API 进行底层操作,包括获取字段偏移量、使用 compareAndSwapInt 和 compareAndSwapObject 方法修改对象属性,并提供了一个实战示例。

compareAndSwap是个原子方法,原理是CAS,即将内存中的值与期望值进行比较,如果相等,就将内存中的值修改成新值并返回true。

package com.java.magic.part4.exception;

import java.lang.reflect.Field;

import sun.misc.Unsafe;

class Target{
	
	int intParam = 3;
	
	long longParam;
	
	String strParam;
}

public class UnsafeTest {
	
	private static Unsafe unsafe;
	
	static{
		try {
			Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
			field.setAccessible(true);
			unsafe = (Unsafe)field.get(null);
		} catch (Exception e) {
			e.printStackTrace();
		}
	}
	
	public static void main(String[] args) throws Exception {
		
		Class clazz = Target.class;
		Field[] fields = clazz.getDeclaredFields();
		System.out.println("fieldNameeeee:fieldOffset");
		for(Field f : fields){
			//获取属性偏移量,可以通过这个偏移量给属性设值
			System.out.println(f.getName()+" : "+unsafe.objectFieldOffset(f));
		}
		System.out.println("--------------------------------");
		Target target = new Target();
		Field intParam = clazz.getDeclaredField("intParam");
		int a = (Integer) intParam.get(target);
		System.out.println("intParam原始值:"+a);
		long intParamOffset = unsafe.objectFieldOffset(intParam);
		System.out.println("intParam实例变量偏移量:"+intParamOffset);
		//intParam实例变量偏移量是offset 原始值是3,我们要改成10
		System.out.println(unsafe.compareAndSwapInt(target, intParamOffset, 3, 10));
		System.out.println("intParam改变之后的值:"+target.intParam);
		
		System.out.println("--------------------------------");
		//这个时候已经改为10了,所以会返回false  
        System.out.println(unsafe.compareAndSwapInt(target, intParamOffset, 3, 10)); 
        
        System.out.println("--------------------------------");
        Field strParam = clazz.getDeclaredField("strParam");
        String str = (String) strParam.get(target);
        System.out.println("strParam原始值:"+str);
        long strParamOffset = unsafe.objectFieldOffset(strParam);
        System.out.println("strParam实例变量的偏移量是:"+strParamOffset);
        System.out.println(unsafe.compareAndSwapObject(target, strParamOffset, null, "5")); 
		System.out.println("strParam改变之后的值:"+target.strParam);
		
		
	}
	

}

 运行结果如下:


compareAndSwapInt是通过调用本地方法根据字段偏移去修改对象属性的. 

可以看到int是4个字节的偏移量,long是8个字节的偏移量
注意:Unsafe的对象不能直接new,这里通过反射去获取Unsafe里面的私有成员变量theUnsafe

<think>嗯,用户让我介绍一下Java中的Compare and Swap(CAS)机制。首先,我需要回想一下CAS的基本概念。CAS是一种并发编程中常用的技术,用于实现无锁的数据结构,避免使用传统的锁机制,从而提高性能。Java中的CAS操作主要是在java.util.concurrent包中的里使用,比如AtomicInteger、AtomicLong等原子。 接下来,我要确定用户可能的知识背景。可能用户已经了解多线程编程的基本概念,比如线程安全、竞态条件等,但可能对具体的无锁机制不太熟悉。需要解释清楚CAS的工作原理,以及它在Java中的具体应用。 然后,我应该解释CAS的三个操作数:内存位置V,旧的预期值A,和新值B。当执行CAS操作时,只有当V的值等于A时,才会将V的值更新为B,否则不进行任何操作。无论是否更新,都会返回V原来的值。这个过程是原子性的,由底层硬件支持,比如通过CPU的CAS指令实现,比如在Intel处理器中的CMPXCHG指令。 需要强调CAS的优点,比如避免线程阻塞,减少上下文切换,提高高并发场景下的性能。但也要提到它的缺点,比如ABA问题。ABA问题是指一个值原来是A,被改为B,然后又改回A,这时候CAS检查时会认为值没有变化,但实际上可能发生了其他操作。为了解决这个问题,Java提供了AtomicStampedReference和AtomicMarkableReference,通过引入版本号或标记来避免ABA问题。 接下来,可能需要给出一个Java中使用CAS的例子,比如AtomicInteger的incrementAndGet方法,内部就是通过CAS实现的。可以展示一下代码示例,说明如何通过循环不断尝试更新,直到成功为止。 另外,用户可能想知道CAS在Java中的底层实现,比如Unsafe的使用,但要注意从Java 9开始,Unsafe被逐渐限制使用,转而使用VarHandle等更安全的API。不过大部分情况下,开发者直接使用原子即可,无需关心底层实现。 还要考虑用户可能的疑问,比如为什么CAS比锁更高效。锁会导致线程挂起和恢复,涉及内核态的操作,而CAS在用户态完成,没有线程切换的开销。不过在高竞争的情况下,CAS可能导致大量重试,消耗CPU资源,这时候可能锁更适合。 最后,总结CAS的应用场景,比如计数器、队列的实现等,以及注意事项,比如ABA问题和自旋时间长的问题。确保用户理解CAS的适用场景和限制。</think>在 Java 中,**Compare and Swap (CAS)** 是一种用于实现无锁并发操作的关键技术。它通过硬件级别的原子指令(如 CPU 的 `CMPXCHG`)保证操作的线程安全性,避免了传统锁机制(如 `synchronized`)带来的上下文切换和阻塞开销。 --- ### **CAS 核心原理** CAS 操作包含三个参数: 1. **内存位置(V)**:要修改的共享变量(如 `AtomicInteger` 的值) 2. **旧的预期值(A)**:线程认为变量当前应该具有的值 3. **新值(B)**:希望将变量更新为的值 **执行过程**: - 如果内存位置 `V` 的当前值等于预期值 `A`,则将 `V` 更新为 `B`,并返回 `true`。 - 否则不修改值,返回 `false`。 整个过程是**原子性**的,由底层硬件直接支持。 --- ### **Java 中的 CAS 实现** Java 通过 `sun.misc.Unsafe` (底层 API)或更高层的原子(如 `AtomicInteger`)封装 CAS 操作: #### 示例:`AtomicInteger` 的自增 ```java AtomicInteger count = new AtomicInteger(0); count.incrementAndGet(); // 内部通过 CAS 实现自增 ``` 底层 `incrementAndGet()` 的简化逻辑: ```java public final int incrementAndGet() { int expect; do { expect = get(); // 获取当前值 } while (!compareAndSet(expect, expect + 1)); // 循环尝试 CAS return expect + 1; } ``` --- ### **CAS 的优缺点** #### **优点**: 1. **无锁并发**:避免线程阻塞,减少上下文切换,适合高并发场景。 2. **高性能**:在低竞争环境下,效率远高于锁。 #### **缺点**: 1. **ABA 问题**: 如果一个值从 `A` → `B` → `A`,CAS 无法感知中间变化。 **解决方案**:使用 `AtomicStampedReference` 添加版本号标记。 2. **自旋开销**:高竞争时,CAS 失败重试可能导致 CPU 空转。 3. **单变量限制**:只能保证单个变量的原子性,无法处理复合操作。 --- ### **ABA 问题示例** 假设线程 1 读取共享变量值为 `A`,准备将其改为 `B`。在此期间,线程 2 将 `A` → `B` → `A`。线程 1 的 CAS 会误认为变量未变化,导致逻辑错误。 **解决方式**:使用 `AtomicStampedReference` 记录版本号: ```java AtomicStampedReference<Integer> ref = new AtomicStampedReference<>(100, 0); int stamp = ref.getStamp(); ref.compareAndSet(100, 101, stamp, stamp + 1); // 同时检查值和版本号 ``` --- ### **CAS 的应用场景** 1. 原子(如 `AtomicInteger`、`AtomicLong`) 2. 无锁队列(如 `ConcurrentLinkedQueue`) 3. 乐观锁实现(如数据库版本号控制) 4. JUC 工具(如 `CountDownLatch`、`Semaphore` 的底层实现) --- ### **总结** CAS 是 Java 实现高效并发的基石,通过硬件原子指令避免了锁的开销,但需注意其适用场景和潜在问题(如 ABA)。实际开发中,优先使用 `java.util.concurrent.atomic` 包中的原子,而非直接操作底层 API。
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