JDK Unsafe類(lèi)的使用與CAS原子特性

Java.util.concurrent.atomic包，其中包含了大量使用到Unsafe這個(gè)類(lèi)

Java不能直接訪問(wèn)操作系統(tǒng)的底層，而是通過(guò)本地方法來(lái)訪問(wèn)。

Unsafe類(lèi)提供了硬件級(jí)別的原子操作，主要提供了以下功能

• 內(nèi)存操作
• 字段的定位和修改
• 掛起和恢復(fù)
• CAS操作（樂(lè)觀鎖）

內(nèi)存操作

• 類(lèi)提供的3個(gè)本地方法allocateMemory、reallocteMemory、freeMemory分別用于分配內(nèi)存、擴(kuò)充內(nèi)存和釋放內(nèi)存

//和C語(yǔ)言的3個(gè)方法對(duì)應(yīng)/**分配內(nèi)存**/ public native long allocateMemory(long 1);/**擴(kuò)充內(nèi)存**/ public native long reallocateMemory(long 1,long l1);/**釋放內(nèi)存**/ public native void freeMemory(long 1);

字段的定位和修改

• 可以定位對(duì)象字段的內(nèi)存位置，也可以修改對(duì)象的字段值，即使它是私有的

掛起和恢復(fù)

• 將一個(gè)線程鼓起是通過(guò)park實(shí)現(xiàn)的，調(diào)用park后，線程會(huì)一直阻塞直到超時(shí)或者中斷等條件的出現(xiàn)
• unpark可以終止一個(gè)掛起的線程，使其恢復(fù)正常
• 整個(gè)并發(fā)框架中對(duì)于線程的掛起操作被封裝在LockSupport類(lèi)中，LockSupport類(lèi)中有各種版本的pack方法，但是最終都調(diào)用了Unsafe.park（）方法

CAS操作（樂(lè)觀鎖）

• CAS（Compare And Swap）比價(jià)并交換
• CAS操作包含三個(gè)操作數(shù)? ? 內(nèi)存位置（V）、預(yù)期位置（A）、新值（B）
• 如果內(nèi)存位置和預(yù)期的原值相匹配，那么處理器就會(huì)自動(dòng)將該位置更新為新值。否則，處理器不做任何操作。無(wú)論那種情況，它都會(huì)在CAS指令之前返回該位置的值
• 簡(jiǎn)單講就是，我認(rèn)為V應(yīng)該包含A值，如果復(fù)合預(yù)期，就將B放到這個(gè)位置，否則，不要改變?cè)撐恢?#xff0c;只告訴我這個(gè)位置現(xiàn)在的值就可以
• Java并發(fā)包(java.util.concurrent)中大量使用了CAS操作,涉及到并發(fā)的地方都調(diào)用了sun.misc.Unsafe類(lèi)方法進(jìn)行CAS操作，在Unsafe中是通過(guò)compareAndSwapXXX方法實(shí)現(xiàn)的。

底層方法如下

/* *比較obj的offset處內(nèi)存位置中的值和期望的值，如果相同則更新，此更新是不可中斷的*@Param obj需要更新的操作 *@Param offset obj中整型的field偏移量 *@Param expect 希望field中存在的值 *@Param update 如果期望值except與field當(dāng)前值相同，設(shè)置field這個(gè)值為新值 *@return 如果field的值將被改變則返回true */ public native boolean compareAndSwapInt(Object obj,long offset,int expect,int update)

CountDownLatch

• CountDownLatch:用于監(jiān)聽(tīng)某些初始化操作，并且將線程進(jìn)行阻塞，等初始化執(zhí)行完畢之后，通知主線程繼續(xù)工作執(zhí)行

CyclicBarrier

• CyclicBarrier：柵欄的概念，多線程的進(jìn)行阻塞，等待某一個(gè)臨界值條件滿(mǎn)足后，同時(shí)執(zhí)行
• 比如：將每一個(gè)線程比作一個(gè)跑步運(yùn)動(dòng)員，只有所有的運(yùn)動(dòng)員都準(zhǔn)備好，才能一起賽跑，只要一個(gè)人沒(méi)有準(zhǔn)備好，大家都等等待

Future與Caller回調(diào)

• Future模式：這種模式主要是利用空間換取時(shí)間的概念，也就是異步執(zhí)行（需要開(kāi)啟一個(gè)新的線程）
• Future模式非常適合在處理耗時(shí)很長(zhǎng)的業(yè)務(wù)邏輯時(shí)進(jìn)行使用，可以有效的減少系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間，提高系統(tǒng)的吞吐量

利用設(shè)計(jì)模式模擬Future

• Future模式有點(diǎn)類(lèi)似于商品訂單
• 比如網(wǎng)購(gòu)的時(shí)候，挑選商品，提交訂單，付款即可。當(dāng)訂單處理完成之后，在家里等待商品送貨上門(mén)即可。或者形象的說(shuō)，當(dāng)我們發(fā)送Ajax請(qǐng)求的時(shí)候，頁(yè)面是異步的進(jìn)行后臺(tái)處理，用戶(hù)無(wú)需一直等待請(qǐng)求的結(jié)果，可以繼續(xù)瀏覽或者操作其他內(nèi)容

Exchanger多線程間數(shù)據(jù)交換

• Exchanger用于進(jìn)行線程間的數(shù)據(jù)交換，它提供了一個(gè)同步點(diǎn)，在這個(gè)同步點(diǎn)，兩個(gè)線程可以交換彼此的數(shù)據(jù)
• 兩個(gè)線程通過(guò)exchange方法交換數(shù)據(jù)，如果一個(gè)線程先執(zhí)行excange方法，它會(huì)一直等待第二個(gè)線程也執(zhí)行exchange方法
• 當(dāng)兩個(gè)線程都達(dá)到同步點(diǎn)時(shí)，這兩個(gè)線程就可以交換數(shù)據(jù)，將本線程生產(chǎn)出來(lái)的數(shù)據(jù)傳遞給對(duì)方
• 使用的場(chǎng)景：1，遺傳算法：遺傳算法里需要選兩個(gè)人作為交換對(duì)象，這時(shí)會(huì)交換兩人的數(shù)據(jù)，并使用交叉規(guī)則得出兩個(gè)人的交換結(jié)果；2，文字校對(duì)：A和B同時(shí)錄入數(shù)據(jù)，然后對(duì)A和B進(jìn)行比較，看是否錄入一致，保證數(shù)據(jù)錄入的正確性；

ForkJoin并行框架

• Frok/Join框架是Java提供的一個(gè)用于并行執(zhí)行任務(wù)的框架，將一個(gè)大任務(wù)分割成若干個(gè)小任務(wù)，最終匯總每一個(gè)小任務(wù)的結(jié)果后從而得到大任務(wù)的結(jié)果
• ForkJoinTask：使用該框架，需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)ForkJoin任務(wù)，它提供在任務(wù)中執(zhí)行fork和join操作的機(jī)制。一般情況下，我們不需要直接繼承ForkJoinTask類(lèi)，只需要繼承他的子類(lèi)即可
• RecursiveAction：用于沒(méi)有返回結(jié)果的任務(wù)
• RecursiveTask：用于有返回結(jié)果的任務(wù)
• ForkJoinPool：任務(wù)ForkJoinTask需要通過(guò)ForkJoinPool來(lái)執(zhí)行

Master-Worker并發(fā)組件設(shè)計(jì)模式

• Master-Worker模式是常用的并發(fā)計(jì)算模式，他的核心思想是系統(tǒng)由兩類(lèi)進(jìn)程協(xié)作工作：Master和aworker進(jìn)程
• Master進(jìn)程負(fù)責(zé)接收和分配任務(wù)，Worker進(jìn)程負(fù)責(zé)處理子任務(wù)。當(dāng)各個(gè)Worker子進(jìn)程處理完成之后，會(huì)將結(jié)果返回給Master，由Master做歸納和總結(jié)
• 其好處是將一個(gè)大任務(wù)分解成若干個(gè)小任務(wù)，并行執(zhí)行，從而提高系統(tǒng)的吞吐量

• Master-Worker并發(fā)組件設(shè)計(jì)模擬

Semaphore信號(hào)量與限流策略

• Semaphore信號(hào)量非常適合并發(fā)訪問(wèn)限制，用于對(duì)系統(tǒng)的訪問(wèn)量進(jìn)行評(píng)估。投入資源太大，資源利用率達(dá)不到實(shí)際效果，純粹浪費(fèi)資源；投入資源太小的話(huà)，如果一個(gè)高峰值的訪問(wèn)量會(huì)壓垮系統(tǒng)

Semaphore相關(guān)概念

• PV（page view）網(wǎng)站的總訪問(wèn)量，頁(yè)面瀏覽量或者點(diǎn)擊量，用戶(hù)每刷新一次就會(huì)記錄一次
• UV（unique Visitor）訪問(wèn)網(wǎng)站的一臺(tái)電腦客戶(hù)端為一個(gè)訪客。一般來(lái)講時(shí)間上00：00～24:00之內(nèi)相同ip的客戶(hù)端記錄
• QPS（query per second）即每秒查詢(xún)數(shù)，qps很大程度上代表了系統(tǒng)業(yè)務(wù)上的繁忙程度，每次請(qǐng)求的背后，可能對(duì)應(yīng)著多次磁盤(pán)I/O，多次網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求，多個(gè)cpu時(shí)間片等。通過(guò)qps可以非常直觀了解當(dāng)前系統(tǒng)業(yè)務(wù)情況，一旦當(dāng)前qps超過(guò)所設(shè)定的預(yù)警閥值，可以考慮增加機(jī)器對(duì)于集群的擴(kuò)容，防止壓力太大導(dǎo)致宕機(jī)，可以根據(jù)前期的壓力測(cè)試，在結(jié)合后期壓力測(cè)試得到估值，再結(jié)合后期綜合運(yùn)維情況，估算出閥值
• RT（response time）請(qǐng)求的響應(yīng)時(shí)間，這個(gè)指標(biāo)非常關(guān)鍵，直接說(shuō)明前段用戶(hù)的體驗(yàn)
• 當(dāng)然還涉及cpu、內(nèi)存、網(wǎng)絡(luò)、磁盤(pán)等情況，更細(xì)節(jié)的問(wèn)題很多，如select、update、delete/ps等數(shù)據(jù)庫(kù)層面的統(tǒng)計(jì)。
• 容量評(píng)估：一般來(lái)說(shuō)通過(guò)開(kāi)發(fā)、運(yùn)維、測(cè)試、以及業(yè)務(wù)等相關(guān)人員，綜合出系統(tǒng)的一系列閥值，然后我們根據(jù)關(guān)鍵閥值如qps、rt等，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行有效的變更。
• 一般來(lái)講，我們進(jìn)行多輪壓力測(cè)試以后，可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行峰值評(píng)估，采用所謂的80/20原則，即80%的訪問(wèn)請(qǐng)求將在20%的時(shí)間內(nèi)達(dá)到。這樣我們可以根據(jù)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)的PV計(jì)算出峰值qps。
• 峰值qps= （總PV × 80%）/ （60 × 60 × 24 × 20%）
• 然后在將總的峰值qps除以單臺(tái)機(jī)器所能承受的最高的qps值，就是所需要機(jī)器的數(shù)量：機(jī)器數(shù) = 總的峰值qps / 壓測(cè)得出的單機(jī)極限qps
• 當(dāng)然不排除系統(tǒng)在上線前進(jìn)行大型促銷(xiāo)活動(dòng)，或者雙十一、雙十二熱點(diǎn)事件、遭受到DDos攻擊等情況，系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和運(yùn)維人員急需要了解當(dāng)前系統(tǒng)運(yùn)行的狀態(tài)和負(fù)載情況，一般都會(huì)有后臺(tái)系統(tǒng)去維護(hù)。?? ?

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的JDK Unsafe类的使用与CAS原子特性的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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