CAS原子类：AtomicLongArray源码解析

AtomicLongArray内部维护了一个int类型的数组，需要先复习下数组对象的在内存中的结构，这对接下来对数组类型原子类的理解至关重要。

一、数组对象的内存结构

我们运行以下代码并将数组对象的内存结构通过JOL工具打印出来，关于这部分知识，参考之前的文章：深入理解Java对象结构

public class ArrayTest {
    
    public static void main(String[] args) {
        //打印虚拟机信息
        System.out.println(VM.current().details());
        //十个元素的int数组
        int[] array = new int[]{0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0};
        //打印内存结构
        System.out.println(ClassLayout.parseInstance(array).toPrintable());
    }
}

输出结果：

整个对象大小是16字节的对象头+40字节的对象体，一共56字节，由于正好是对齐字节数8的倍数，所以没有对齐字节。

问题来了，如果站在Unsafe类的角度上，如何实现快速访问数组中的某个元素？

Unsafe可以基于偏移量的快速访问，也就是说只要告诉Unsafe前边有多少个字节数，它就可以直接定位到需要访问的元素。如果我想访问第1个元素，那前边就只有对象头，那就是16字节；如果我想访问第二个元素，那就是16字节的对象头+4字节的第一个元素，就是20字节；如果我想访问呢第三个元素，那就是16字节的对象头+8字节的两个元素，就是24个字节。。。如果我想访问下标为i的元素，那就是（16+ix4）个字节。

我们知道位移运算要比乘法运算效率高的多，为了效率最大化，可以使用位移运算替代乘法运算，4正好是2²满足位移计算替换的要求（热知识：将一个数i向左位移N位，实际上等效于ix2^N，所以必须保证第二个乘数是2的幂次方），所以16+ix4可以替换为16+i<<2，没错，在数组类型原子类中，正是使用这种位移的方式快速定位元素的。

二、get方法源码解析

由于源代码比较长，分开一点一点来看，先看get方法：public final int get(int i)，说起来你肯定不信，这个方法是这个类最复杂的方法了

public class AtomicIntegerArray {

    //Unsafe类初始化
    private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    //数组元素的内存偏移量
    private static final int base = unsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
    //位移次数
    private static final int shift;
    //通过final保证可见性
    private final int[] array;

    static {
        //确定数组中每个元素的大小，单位字节
        int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
        //确定scale大小是2的幂次方
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)
            throw new Error("data type scale not a power of two");
        //确定位移次数，用于后续计算元素的内存偏移量
        shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
    }

    private long checkedByteOffset(int i) {
        if (i < 0 || i >= array.length)
            throw new IndexOutOfBoundsException("index " + i);

        return byteOffset(i);
    }

    //根据数组坐标查询内存偏移量
    private static long byteOffset(int i) {
        return ((long) i << shift) + base;
    }

    //获取某个元素的值
    public final int get(int i) {
        return getRaw(checkedByteOffset(i));
    }

    //调用unsafe方法根据偏移量获取某个方法的值
    private int getRaw(long offset) {
        return unsafe.getIntVolatile(array, offset);
    }
}

上面的整个源代码都是public final int get(int i)方法相关的函数和变量。接下来逐步看下每段代码的意思。

静态代码块

static {
    //确定数组中每个元素的大小，单位字节
    int scale = unsafe.arrayIndexScale(int[].class);
    //确定scale大小是2的幂次方
    if ((scale & (scale - 1)) != 0)
        throw new Error("data type scale not a power of two");
    //确定位移次数，用于后续计算元素的内存偏移量
    shift = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);
}

相关的注释在代码中，不再赘述，主要解答下几个疑问

• 为什么要验证scale大小是2的幂次方
• Integer.numberOfLeadingZeros(scale)的函数作用是什么
• 为什么要用31减去Integer.numberOfLeadingZeros(scale)
• 最终计算出来的shift值是干什么用的

相信第一次见这段代码的人都和我一样，对这段静态代码块中的每一行代码都有疑问