JUC整理笔记四之梳理VarHandle(上)

前面整理完 Unsafe ，不得不去了解下 java.lang.invoke.Varhandle 。如前面文章所说， Unsafe 是不建议开发者直接使用的，因为 Unsafe 所操作的并不属于Java标准，会容易带来一些安全性的问题。JDK9 之后，官方推荐使用 java.lang.invoke.Varhandle 来替代 Unsafe 大部分功能，对比 Unsafe ，Varhandle 有着相似的功能，但会更加安全，并且，在并发方面也提高了不少性能。

简介

Varhandle 是对变量或参数定义的变量系列的动态强类型引用，包括静态字段，非静态字段，数组元素或堆外数据结构的组件。 在各种访问模式下都支持访问这些变量，包括简单的读/写访问，volatile 的读/写访问以及 CAS (compare-and-set)访问。简单来说 Variable 就是对这些变量进行绑定，通过 Varhandle 直接对这些变量进行操作。

实例

• 目标实体类

public class Demo {
    public int publicVar = 1;
    protected int protectedVar = 2;
    private int privateVar = 3;
    public int[] arrayData = new int[]{1, 2, 3};
    @Override
    public String toString() {
        return "Demo{" +
                "publicVar=" + publicVar +
                ", protectedVar=" + protectedVar +
                ", privateVar=" + privateVar +
                ", arrayData=" + Arrays.toString(arrayData) +
                '}';
    }
}

• 访问 private 成员

private static void privateDemo() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Demo instance = new Demo();
    VarHandle varHandle = MethodHandles.privateLookupIn(Demo.class, MethodHandles.lookup())
            .findVarHandle(Demo.class, "privateVar", int.class);
    varHandle.set(instance, 33);
    System.out.println(instance);
}

输出

Demo{publicVar=11, protectedVar=2, privateVar=3, arrayData=[1, 2, 3]}

• 访问 protected 成员

private static void protectedDemo() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Demo instance = new Demo();

      VarHandle varHandle = MethodHandles.privateLookupIn(Demo.class,MethodHandles.lookup())
              .findVarHandle(Demo.class, "protectedVar", int.class);

    VarHandle varHandle = MethodHandles.lookup()
            .in(Demo.class)
            .findVarHandle(Demo.class, "protectedVar", int.class);
    varHandle.set(instance, 22);
    System.out.println(instance);
}

输出

Demo{publicVar=1, protectedVar=22, privateVar=3, arrayData=[1, 2, 3]}

• 访问 public 成员

 private static void publicDemo() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
     Demo instance = new Demo();
     VarHandle varHandle = MethodHandles.lookup()
             .in(Demo.class)
             .findVarHandle(Demo.class, "publicVar", int.class);
     varHandle.set(instance, 11);
     System.out.println(instance);
 }

输出

Demo{publicVar=1, protectedVar=2, privateVar=33, arrayData=[1, 2, 3]}

• 访问 数组

private static void arrayDemo() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
    Demo instance = new Demo();
    VarHandle arrayVarHandle = MethodHandles.arrayElementVarHandle(int[].class);
    arrayVarHandle.compareAndSet(instance.arrayData, 0, 1, 11);
    arrayVarHandle.compareAndSet(instance.arrayData, 1, 2, 22);
    arrayVarHandle.compareAndSet(instance.arrayData, 2, 3, 33);
    System.out.println(instance);
}

输出

Demo{publicVar=1, protectedVar=2, privateVar=3, arrayData=[11, 22, 33]}

获取Varhandle方式汇总

• MethodHandles.privateLookupIn(class, MethodHandles.lookup()) 获取访问私有变量的Lookup

• MethodHandles.lookup() 获取访问protected、public的Lookup

• findVarHandle 用于创建对象中非静态字段的VarHandle。接收参数有三个，第一个为接收者的class对象，第二个是字段名称，第三个是字段类型。

• findStaticVarHandle 用于创建对象中静态字段的VarHandle，接收参数与findVarHandle一致。

• unreflectVarHandle通过反射字段Field创建VarHandle。

• MethodHandles.arrayElementVarHandle(int[].class) 获取管理数组的 Varhandle

功能

VarHandle来使用plain、opaque、release/acquire和volatile四种共享内存的访问模式，根据这四种共享内存的访问模式又分为写入访问模式、读取访问模式、原子更新访问模式、数值更新访问模式、按位原子更新访问模式。

• 写入访问模式(write access modes)

获取指定内存排序效果下的变量值，包含的方法有get、getVolatile、getAcquire、getOpaque 。

• 读取访问模式(read access modes)

在指定的内存排序效果下设置变量的值，包含的方法有set、setVolatile、setRelease、setOpaque 。

• 原子更新模式(atomic update access modes)

原子更新访问模式，例如，在指定的内存排序效果下，原子的比较和设置变量的值，包含的方法有compareAndSet、weakCompareAndSetPlain、weakCompareAndSet、weakCompareAndSetAcquire、weakCompareAndSetRelease、compareAndExchangeAcquire、compareAndExchange、compareAndExchangeRelease、getAndSet、getAndSetAcquire、getAndSetRelease 。

• 数值更新访问模式(numeric atomic update access modes)

数字原子更新访问模式，例如，通过在指定的内存排序效果下添加变量的值，以原子方式获取和设置。 包含的方法有getAndAdd、getAndAddAcquire、getAndAddRelease 。

• 按位原子更新访问模式(bitwise atomic update access modes )

按位原子更新访问模式，例如，在指定的内存排序效果下，以原子方式获取和按位OR变量的值。 包含的方法有getAndBitwiseOr、getAndBitwiseOrAcquire、getAndBitwiseOrRelease、 getAndBitwiseAnd、getAndBitwiseAndAcquire、getAndBitwiseAndRelease、getAndBitwiseXor、getAndBitwiseXorAcquire ， getAndBitwiseXorRelease 。

内存屏障

VarHandle 除了支持各种访问模式下访问变量之外，还提供了一套内存屏障方法，目的是为了给内存排序提供更细粒度的控制。主要如下几个方法：

public static void fullFence() {
    UNSAFE.fullFence();
}
public static void acquireFence() {
    UNSAFE.loadFence();
}
public static void releaseFence() {
    UNSAFE.storeFence();
}
public static void loadLoadFence() {
    UNSAFE.loadLoadFence();
}
public static void storeStoreFence() {
    UNSAFE.storeStoreFence();
}

小结

在 java9 之后，对一些变量的并发操作时，可以考虑用 java.lang.invoke.VarHandle 来处理，而不是通过 Unsafe 类来处理，毕竟 Unsafe 不太适合直接使用。