从JDK源码角度看并发的原子性如何保证

最新推荐文章于 2025-08-16 23:44:34 发布

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#操作系统 #java #c/c++

本文深入探讨了JDK源码中的Unsafe类，揭示了其在AQS框架中的关键作用，包括如何利用CAS操作实现原子性，并介绍了获取Unsafe实例的方法及其安全性考量。

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JDK源码中，在研究AQS框架时，会发现很多地方都使用了CAS操作，在并发实现中CAS操作必须具备原子性，而且是硬件级别的原子性，Java被隔离在硬件之上，明显力不从心，这时为了能直接操作操作系统层面，肯定要通过用C++编写的native本地方法来扩展实现。JDK提供了一个类来满足CAS的要求，sun.misc.Unsafe，从名字上可以大概知道它用于执行低级别、不安全的操作，AQS就是使用此类完成硬件级别的原子操作。

Unsafe是一个很强大的类，它可以分配内存、释放内存、可以定位对象某字段的位置、可以修改对象的字段值、可以使线程挂起、使线程恢复、可进行硬件级别原子的CAS操作等等，但平时我们没有这么特殊的需求去使用它，而且必须在受信任代码（一般由JVM指定）中调用此类，例如直接Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();获取一个Unsafe实例是不会成功的，因为这个类的安全性很重要，设计者对其进行了如下判断，它会检测调用它的类是否由启动类加载器Bootstrap ClassLoader（它的类加载器为null）加载，由此保证此类只能由JVM指定的类使用。

public static Unsafe getUnsafe() {  
   Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);  
   if (cc.getClassLoader() != null)  
       throw new SecurityException("Unsafe");  
   return theUnsafe;  
}复制代码

当然可以通过反射绕过上面的限制，用下面的getUnsafeInstance方法可以获取Unsafe实例，这段代码演示了如何获取java对象的相对地址偏移量及使用Unsafe完成CAS操作，最终输出的是flag字段的内存偏移量及CAS操作后的值。分别为8和101。另外如果使用开发工具如Eclipse，可能会编译通不过，只要把编译错误提示关掉即可。

public class UnsafeTest {  
private int flag = 100;  
private static long offset;  
private static Unsafe unsafe = null;  
static{  
     try{  
          unsafe= getUnsafeInstance();  
          offset= unsafe.objectFieldOffset(UnsafeTest.class  
                   .getDeclaredField("flag"));  
     }catch (Exception e) {  
          e.printStackTrace();  
     }  
}  

public static void main(String[] args) throws Exception {  
     int expect = 100;  
     int update = 101;  
     UnsafeTest unsafeTest = new UnsafeTest();  
     System.out.println("unsafeTest对象的flag字段的地址偏移量为："+offset);  
     unsafeTest.doSwap(offset,expect, update);  
     System.out.println("CAS操作后的flag值为：" +unsafeTest.getFlag());  
}  

privateboolean doSwap(long offset, int expect, int update) {  
     returnunsafe.compareAndSwapInt(this, offset, expect, update);  
}  

publicint getFlag() {  
     returnflag;  
}  

private static Unsafe getUnsafeInstance() throws SecurityException,  
          NoSuchFieldException,IllegalArgumentException,  
          IllegalAccessException{  
     Field theUnsafeInstance = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");  
     theUnsafeInstance.setAccessible(true);  
     return (Unsafe)theUnsafeInstance.get(Unsafe.class);  
}  
}复制代码

Unsafe类让我们明白了java是如何实现对操作系统操作的，一般我们使用java是不需要在内存中处理java对象及内存地址位置的，但有的时候我们确实需要知道java对象相关的地址，于是我们使用Unsafe类，尽管java对其提供了足够的安全管理。

Java语言的设计者们极力隐藏涉及底层操作系统的相关操作，但此节我们本着对AQS框架实现的目的，不得不剖析了Unsafe类，因为AQS里面即是使用Unsafe获取对象字段的地址偏移量、相关原子操作来实现CAS操作的。

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