Java 9的發(fā)布的新特性除了最主要的模塊化之外浅侨，在API方面也為開發(fā)者們帶來了很多有用的特性技俐，本篇我們來探討一下java 9提供的新的API-VarHandle 對 memory order 的支持蕴侣，及其在JUC同步類中的應用涡驮。在開始本篇之前固耘，你需要對JMM（Java 內存模型）有一定的認知眷射。

VarHandle 的必要性

隨著Java中的并發(fā)和并行編程的不斷擴大，我們經常會需要對某個類的字段進行原子或有序操作雕沿，但是 JVM 對Java開發(fā)者所開放的權限非常有限。例如：如果要原子性地增加某個字段的值猴仑，到目前為止我們可以使用下面三種方式：

使用AtomicInteger來達到這種效果审轮，這種間接管理方式增加了空間開銷，還會導致額外的并發(fā)問題辽俗；
使用原子性的FieldUpdaters疾渣，由于利用了反射機制，操作開銷也會更大崖飘；
使用sun.misc.Unsafe提供的JVM內置函數(shù)API榴捡，雖然這種方式比較快，但它會損害安全性和可移植性朱浴，當然在實際開發(fā)中也很少會這么做吊圾。

在 VarHandle 出現(xiàn)之前达椰，這些潛在的問題會隨著原子API的不斷擴大而越來越遭。VarHandle 的出現(xiàn)替代了java.util.concurrent.atomic和sun.misc.Unsafe的部分操作项乒。并且提供了一系列標準的內存屏障操作啰劲，用于更加細粒度的控制內存排序。在安全性檀何、可用性蝇裤、性能上都要優(yōu)于現(xiàn)有的API。VarHandle 可以與任何字段频鉴、數(shù)組元素或靜態(tài)變量關聯(lián)栓辜，支持在不同訪問模型下對這些類型變量的訪問，包括簡單的 read/write 訪問垛孔，volatile 類型的 read/write 訪問啃憎，和 CAS(compare-and-swap)等。

創(chuàng)建VarHandle

VarHandle通過MethodHandles的lookup()方法創(chuàng)建似炎，下面演示了非靜態(tài)變量和數(shù)組的獲取方式：

public class VarhandleFoo {
    
    private Point[] points;

    private static final VarHandle QA;//for arrays
    private static final VarHandle X;//for Variables
    static {
        try {
            QA =  MethodHandles.arrayElementVarHandle(Point[].class);
            X = MethodHandles.lookup().
                    findVarHandle(Point.class, "x", int.class); //or
            //X = MethodHandles.lookup().in(Point.class).findVarHandle(Point.class, "x", int.class);
        } catch (ReflectiveOperationException e) {
            throw new Error(e);
        }
    }

    class Point {
        volatile int x;
        // ...
    }
}

Lookup

Lookup是MethodHandles的內部類辛萍，位于java.lang.invoke包中，它是一個用于創(chuàng)建方法和變量句柄的工廠羡藐。與我們熟知的核心反射API不同的是贩毕，核心反射API在每一次方法被調用時都會進行訪問檢查，而通過Lookup創(chuàng)建的方法句柄的訪問檢查是在它被創(chuàng)建時進行的仆嗦。通過Lookup提供的工廠方法辉阶，我們可以訪問對象的任何方法、構造函數(shù)和參數(shù)變量瘩扼。由工廠方法創(chuàng)建的每個方法句柄都等同于方法的字節(jié)碼行為（bytecode behavior）谆甜，也就是說，JVM調用方法句柄與執(zhí)行和方法句柄相關的字節(jié)碼行為一致集绰。（有關Lookup的更詳細介紹规辱，請參閱官方API-MethodHandles.Lookup）

Lookup在Java 9中對變量訪問也添加了相應的工廠方法，用于生成變量句柄-VarHandle：

findVarHandle：用于創(chuàng)建對象中非靜態(tài)字段的VarHandle栽燕。接收參數(shù)有三個罕袋，第一個為接收者的class對象，第二個是字段名稱碍岔，第三個是字段類型浴讯。
findStaticVarHandle：用于創(chuàng)建對象中靜態(tài)字段的VarHandle，接收參數(shù)與findVarHandle一致蔼啦。
unreflectVarHandle：通過反射字段Field創(chuàng)建VarHandle榆纽。

獲取VarHandle后，接下來就是對變量的訪問，下面列舉了幾種簡單的訪問形式：

//plain read
int x = (int) X.get(this);
Point p = (Point) QA.get(points,10);

//plain write
X.set(this,1);
QA.set(points,10,new Point());

//CAS
X.compareAndSet(this,0,1);
QA.compareAndSet(points,10,p,new Point());

//Numeric Atomic Update
X.getAndAdd(this,10);

VarHandle中的每個方法都被稱為 access mode method奈籽，接收的參數(shù)都是一個協(xié)調表達式饥侵，該表達式精確地指示了要訪問變量的對象，后續(xù)的調用參數(shù)表示當前訪問模式的值唠摹。例如爆捞，CAS方法需要兩個后續(xù)參數(shù)：預期值和新值。
需要注意的是勾拉，access mode將覆蓋在變量聲明時指定的任何內存排序效果煮甥。例如，一個VarHandle使用 get 模式訪問一個字段時藕赞，即使這個字段已經被聲明為volatile成肘，也會把這個字段當做方法指定的訪問模式進行訪問。因此使用時要非常小心斧蜕。

內存屏障

VarHandle除了支持在各種訪問模式下訪問變量之外双霍，還提供了一組內存屏障方法，為內存排序提供更細粒度的控制批销。主要有以下幾個方法：

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();
}

本質上來看洒闸，這些內存屏障都是通過Unsafe類的fullFence、loadFence和storeFence來實現(xiàn)均芽，關于Unsafe丘逸，大家可以參考我的另外一篇文章：JUC源碼分析—CAS和Unsafe。

VarHandle的應用

自VarHandle出世后掀宋，JUC中多數(shù)同步類中都使用VarHandle替代了Unsafe深纲，這里我們拿AQS舉例說明，直接看代碼：

// VarHandle mechanics
private static final VarHandle STATE;
private static final VarHandle HEAD;
private static final VarHandle TAIL;

static {
    try {
        MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
        STATE = l.findVarHandle(AbstractQueuedSynchronizer.class, "state", int.class);
        HEAD = l.findVarHandle(AbstractQueuedSynchronizer.class, "head", Node.class);
        TAIL = l.findVarHandle(AbstractQueuedSynchronizer.class, "tail", Node.class);
    } catch (ReflectiveOperationException e) {
        throw new ExceptionInInitializerError(e);
    }

    // Reduce the risk of rare disastrous classloading in first call to
    // LockSupport.park: https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8074773
    Class<?> ensureLoaded = LockSupport.class;
}

/**
 * 初始化queue
 */
private final void initializeSyncQueue() {
    Node h;
    if (HEAD.compareAndSet(this, null, (h = new Node())))
        tail = h;
}

AQS中對變量state, head, tail的訪問都改為了VarHandle方式劲妙。例如湃鹊，如果要用CAS方式修改head節(jié)點，只需要調用VarHandle的compareAndSet即可（HEAD.compareAndSet(this, null, new Node())）镣奋。

目前币呵，在java.util.concurrent包中對變量的訪問基本上都由Unsafe改為了VarHandle，有關VarHandle的更多詳細使用方式唆途，請參考JUC源碼富雅。

Java 9 變量句柄-VarHandle