乐观锁和悲观锁的介绍以及乐观锁常见实现方式可以阅读笔者写的这篇文章：乐观锁和悲观锁详解。

这篇文章主要介绍 ：Java 中 CAS 的实现以及 CAS 存在的一些问题。

Java 中 CAS 是如何实现的？

在 Java 中，实现 CAS（Compare-And-Swap, 比较并交换）操作的一个关键类是Unsafe。

Unsafe类位于sun.misc包下，是一个提供低级别、不安全操作的类。由于其强大的功能和潜在的危险性，它通常用于 JVM 内部或一些需要极高性能和底层访问的库中，而不推荐普通开发者在应用程序中使用。关于 Unsafe类的详细介绍，可以阅读这篇文章：📌Java 魔法类 Unsafe 详解。

sun.misc包下的Unsafe类提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong方法来实现的对Object、int、long类型的 CAS 操作：

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/**
 * 以原子方式更新对象字段的值。
 *
 * @param o        要操作的对象
 * @param offset   对象字段的内存偏移量
 * @param expected 期望的旧值
 * @param x        要设置的新值
 * @return 如果值被成功更新，则返回 true；否则返回 false
 */
boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x);

/**
 * 以原子方式更新 int 类型的对象字段的值。
 */
boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x);

/**
 * 以原子方式更新 long 类型的对象字段的值。
 */
boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x);

Unsafe类中的 CAS 方法是native方法。native关键字表明这些方法是用本地代码（通常是 C 或 C++）实现的，而不是用 Java 实现的。这些方法直接调用底层的硬件指令来实现原子操作。也就是说，Java 语言并没有直接用 Java 实现 CAS。

更准确点来说，Java 中 CAS 是 C++ 内联汇编的形式实现的，通过 JNI（Java Native Interface） 调用。因此，CAS 的具体实现与操作系统以及 CPU 密切相关。

java.util.concurrent.atomic 包提供了一些用于原子操作的类。

关于这些 Atomic 原子类的介绍和使用，可以阅读这篇文章：Atomic 原子类总结。

Atomic 类依赖于 CAS 乐观锁来保证其方法的原子性，而不需要使用传统的锁机制（如 synchronized 块或 ReentrantLock）。

AtomicInteger是 Java 的原子类之一，主要用于对 int 类型的变量进行原子操作，它利用Unsafe类提供的低级别原子操作方法实现无锁的线程安全性。

下面，我们通过解读AtomicInteger的核心源码（JDK1.8），来说明 Java 如何使用Unsafe类的方法来实现原子操作。

AtomicInteger核心源码如下：

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// 获取 Unsafe 实例
private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
private static final long valueOffset;

static {
    try {
        // 获取“value”字段在AtomicInteger类中的内存偏移量
        valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
            (AtomicInteger.class.getDeclaredField("value"));
    } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}
// 确保“value”字段的可见性
private volatile int value;

// 如果当前值等于预期值，则原子地将值设置为newValue
// 使用 Unsafe#compareAndSwapInt 方法进行CAS操作
public final boolean compareAndSet(int expect, int update) {
    return unsafe.compareAndSwapInt(this, valueOffset, expect, update);
}

// 原子地将当前值加 delta 并返回旧值
public final int getAndAdd(int delta) {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, delta);
}

// 原子地将当前值加 1 并返回加之前的值（旧值）
// 使用 Unsafe#getAndAddInt 方法进行CAS操作。
public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

// 原子地将当前值减 1 并返回减之前的值（旧值）
public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

Unsafe#getAndAddInt源码：

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// 原子地获取并增加整数值
public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
    int v;
    do {
        // 以 volatile 方式获取对象 o 在内存偏移量 offset 处的整数值
        v = getIntVolatile(o, offset);
    } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
    // 返回旧值
    return v;
}

可以看到，getAndAddInt 使用了 do-while 循环：在compareAndSwapInt操作失败时，会不断重试直到成功。也就是说，getAndAddInt方法会通过 compareAndSwapInt 方法来尝试更新 value 的值，如果更新失败（当前值在此期间被其他线程修改），它会重新获取当前值并再次尝试更新，直到操作成功。

由于 CAS 操作可能会因为并发冲突而失败，因此通常会与while循环搭配使用，在失败后不断重试，直到操作成功。这就是 自旋锁机制 。

CAS 算法存在哪些问题？

ABA 问题是 CAS 算法最常见的问题。

ABA 问题

如果一个变量 V 初次读取的时候是 A 值，并且在准备赋值的时候检查到它仍然是 A 值，那我们就能说明它的值没有被其他线程修改过了吗？很明显是不能的，因为在这段时间它的值可能被改为其他值，然后又改回 A，那 CAS 操作就会误认为它从来没有被修改过。这个问题被称为 CAS 操作的 “ABA”问题。

ABA 问题的解决思路是在变量前面追加上版本号或者时间戳。JDK 1.5 以后的 AtomicStampedReference 类就是用来解决 ABA 问题的，其中的 compareAndSet() 方法就是首先检查当前引用是否等于预期引用，并且当前标志是否等于预期标志，如果全部相等，则以原子方式将该引用和该标志的值设置为给定的更新值。

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public boolean compareAndSet(V   expectedReference,
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                             int expectedStamp,
                             int newStamp) {
    Pair<V> current = pair;
    return
        expectedReference == current.reference &&
        expectedStamp == current.stamp &&
        ((newReference == current.reference &&
          newStamp == current.stamp) ||
         casPair(current, Pair.of(newReference, newStamp)));
}

循环时间长开销大

CAS 经常会用到自旋操作来进行重试，也就是不成功就一直循环执行直到成功。如果长时间不成功，会给 CPU 带来非常大的执行开销。

如果 JVM 能够支持处理器提供的pause指令，那么自旋操作的效率将有所提升。pause指令有两个重要作用：

1. 延迟流水线执行指令：pause指令可以延迟指令的执行，从而减少 CPU 的资源消耗。具体的延迟时间取决于处理器的实现版本，在某些处理器上，延迟时间可能为零。
2. 避免内存顺序冲突：在退出循环时，pause指令可以避免由于内存顺序冲突而导致的 CPU 流水线被清空，从而提高 CPU 的执行效率。

只能保证一个共享变量的原子操作

CAS 操作仅能对单个共享变量有效。当需要操作多个共享变量时，CAS 就显得无能为力。不过，从 JDK 1.5 开始，Java 提供了AtomicReference类，这使得我们能够保证引用对象之间的原子性。通过将多个变量封装在一个对象中，我们可以使用AtomicReference来执行 CAS 操作。

除了 AtomicReference 这种方式之外，还可以利用加锁来保证。

总结

在 Java 中，CAS 通过 Unsafe 类中的 native 方法实现，这些方法调用底层的硬件指令来完成原子操作。由于其实现依赖于 C++ 内联汇编和 JNI 调用，因此 CAS 的具体实现与操作系统以及 CPU 密切相关。

CAS 虽然具有高效的无锁特性，但也需要注意 ABA 、循环时间长开销大等问题。

MySQL 字符编码集中有两套 UTF-8 编码实现：**utf8** 和 **utf8mb4**。

如果使用 utf8 的话，存储 emoji 符号和一些比较复杂的汉字、繁体字就会出错。

为什么会这样呢？这篇文章可以从源头给你解答。

字符集是什么？

字符是各种文字和符号的统称，包括各个国家文字、标点符号、表情、数字等等。 字符集 就是一系列字符的集合。字符集的种类较多，每个字符集可以表示的字符范围通常不同，就比如说有些字符集是无法表示汉字的。

计算机只能存储二进制的数据，那英文、汉字、表情等字符应该如何存储呢？

我们要将这些字符和二进制的数据一一对应起来，比如说字符“a”对应“01100001”，反之，“01100001”对应 “a”。我们将字符对应二进制数据的过程称为”字符编码“，反之，二进制数据解析成字符的过程称为“字符解码”。

字符编码是什么？

字符编码是一种将字符集中的字符与计算机中的二进制数据相互转换的方法，可以看作是一种映射规则。也就是说，字符编码的目的是为了让计算机能够存储和传输各种文字信息。

每种字符集都有自己的字符编码规则，常用的字符集编码规则有 ASCII 编码、 GB2312 编码、GBK 编码、GB18030 编码、Big5 编码、UTF-8 编码、UTF-16 编码等。

有哪些常见的字符集？

常见的字符集有：ASCII、GB2312、GB18030、GBK、Unicode……。

不同的字符集的主要区别在于：

• 可以表示的字符范围
• 编码方式

ASCII

ASCII (American Standard Code for Information Interchange，美国信息交换标准代码) 是一套主要用于现代美国英语的字符集（这也是 ASCII 字符集的局限性所在）。

为什么 ASCII 字符集没有考虑到中文等其他字符呢？ 因为计算机是美国人发明的，当时，计算机的发展还处于比较雏形的时代，还未在其他国家大规模使用。因此，美国发布 ASCII 字符集的时候没有考虑兼容其他国家的语言。

ASCII 字符集至今为止共定义了 128 个字符，其中有 33 个控制字符（比如回车、删除）无法显示。

一个 ASCII 码长度是一个字节也就是 8 个 bit，比如“a”对应的 ASCII 码是“01100001”。不过，最高位是 0 仅仅作为校验位，其余 7 位使用 0 和 1 进行组合，所以，ASCII 字符集可以定义 128（2^7）个字符。

由于，ASCII 码可以表示的字符实在是太少了。后来，人们对其进行了扩展得到了 ASCII 扩展字符集 。ASCII 扩展字符集使用 8 位（bits）表示一个字符，所以，ASCII 扩展字符集可以定义 256（2^8）个字符。

GB2312

我们上面说了，ASCII 字符集是一种现代美国英语适用的字符集。因此，很多国家都捣鼓了一个适合自己国家语言的字符集。

GB2312 字符集是一种对汉字比较友好的字符集，共收录 6700 多个汉字，基本涵盖了绝大部分常用汉字。不过，GB2312 字符集不支持绝大部分的生僻字和繁体字。

对于英语字符，GB2312 编码和 ASCII 码是相同的，1 字节编码即可。对于非英字符，需要 2 字节编码。

GBK

GBK 字符集可以看作是 GB2312 字符集的扩展，兼容 GB2312 字符集，共收录了 20000 多个汉字。

GBK 中 K 是汉语拼音 Kuo Zhan（扩展）中的“Kuo”的首字母。

GB18030

GB18030 完全兼容 GB2312 和 GBK 字符集，纳入中国国内少数民族的文字，且收录了日韩汉字，是目前为止最全面的汉字字符集，共收录汉字 70000 多个。

BIG5

BIG5 主要针对的是繁体中文，收录了 13000 多个汉字。

Unicode & UTF-8

为了更加适合本国语言，诞生了很多种字符集。

我们上面也说了不同的字符集可以表示的字符范围以及编码规则存在差异。这就导致了一个非常严重的问题：使用错误的编码方式查看一个包含字符的文件就会产生乱码现象。

就比如说你使用 UTF-8 编码方式打开 GB2312 编码格式的文件就会出现乱码。示例：“牛”这个汉字 GB2312 编码后的十六进制数值为 “C5A3”，而 “C5A3” 用 UTF-8 解码之后得到的却是 “ţ”。

你可以通过这个网站在线进行编码和解码：https://www.haomeili.net/HanZi/ZiFuBianMaZhuanHuan

这样我们就搞懂了乱码的本质：编码和解码时用了不同或者不兼容的字符集 。

为了解决这个问题，人们就想：“如果我们能够有一种字符集将世界上所有的字符都纳入其中就好了！”。

然后，Unicode 带着这个使命诞生了。

Unicode 字符集中包含了世界上几乎所有已知的字符。不过，Unicode 字符集并没有规定如何存储这些字符（也就是如何使用二进制数据表示这些字符）。

然后，就有了 UTF-8（8-bit Unicode Transformation Format）。类似的还有 UTF-16、 UTF-32。

UTF-8 使用 1 到 4 个字节为每个字符编码， UTF-16 使用 2 或 4 个字节为每个字符编码，UTF-32 固定位 4 个字节为每个字符编码。

UTF-8 可以根据不同的符号自动选择编码的长短，像英文字符只需要 1 个字节就够了，这一点 ASCII 字符集一样 。因此，对于英语字符，UTF-8 编码和 ASCII 码是相同的。

UTF-32 的规则最简单，不过缺陷也比较明显，对于英文字母这类字符消耗的空间是 UTF-8 的 4 倍之多。

UTF-8 是目前使用最广的一种字符编码。

MySQL 字符集

MySQL 支持很多种字符集的方式，比如 GB2312、GBK、BIG5、多种 Unicode 字符集（UTF-8 编码、UTF-16 编码、UCS-2 编码、UTF-32 编码等等）。

查看支持的字符集

你可以通过 SHOW CHARSET 命令来查看，支持 like 和 where 子句。

默认字符集

在 MySQL5.7 中，默认字符集是 latin1 ；在 MySQL8.0 中，默认字符集是 utf8mb4

字符集的层次级别

MySQL 中的字符集有以下的层次级别：

• server（MySQL 实例级别）
• database（库级别）
• table（表级别）
• column（字段级别）

它们的优先级可以简单的认为是从上往下依次增大，也即 column 的优先级会大于 table 等其余层次的。如指定 MySQL 实例级别字符集是utf8mb4，指定某个表字符集是latin1，那么这个表的所有字段如果不指定的话，编码就是latin1。

server

不同版本的 MySQL 其 server 级别的字符集默认值不同，在 MySQL5.7 中，其默认值是 latin1 ；在 MySQL8.0 中，其默认值是 utf8mb4 。

当然也可以通过在启动 mysqld 时指定 --character-set-server 来设置 server 级别的字符集。

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mysqld
mysqld --character-set-server=utf8mb4
mysqld --character-set-server=utf8mb4 \
  --collation-server=utf8mb4_0900_ai_ci

或者如果你是通过源码构建的方式启动的 MySQL，你可以在 cmake 命令中指定选项：

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cmake . -DDEFAULT_CHARSET=latin1
或者
cmake . -DDEFAULT_CHARSET=latin1 \
  -DDEFAULT_COLLATION=latin1_german1_ci

此外，你也可以在运行时改变 character_set_server 的值，从而达到修改 server 级别的字符集的目的。

server 级别的字符集是 MySQL 服务器的全局设置，它不仅会作为创建或修改数据库时的默认字符集（如果没有指定其他字符集），还会影响到客户端和服务器之间的连接字符集，具体可以查看 MySQL Connector/J 8.0 - 6.7 Using Character Sets and Unicode。

database

database 级别的字符集是我们在创建数据库和修改数据库时指定的：

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CREATE DATABASE db_name
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [[DEFAULT] COLLATE collation_name]

ALTER DATABASE db_name
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [[DEFAULT] COLLATE collation_name]

如前面所说，如果在执行上述语句时未指定字符集，那么 MySQL 将会使用 server 级别的字符集。

可以通过下面的方式查看某个数据库的字符集：

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USE db_name;
SELECT @@character_set_database, @@collation_database;

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SELECT DEFAULT_CHARACTER_SET_NAME, DEFAULT_COLLATION_NAME
FROM INFORMATION_SCHEMA.SCHEMATA WHERE SCHEMA_NAME = 'db_name';

table

table 级别的字符集是在创建表和修改表时指定的：

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CREATE TABLE tbl_name (column_list)
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [COLLATE collation_name]]

ALTER TABLE tbl_name
    [[DEFAULT] CHARACTER SET charset_name]
    [COLLATE collation_name]

如果在创建表和修改表时未指定字符集，那么将会使用 database 级别的字符集。

column

column 级别的字符集同样是在创建表和修改表时指定的，只不过它是定义在列中。下面是个例子：

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CREATE TABLE t1
(
    col1 VARCHAR(5)
      CHARACTER SET latin1
      COLLATE latin1_german1_ci
);

如果未指定列级别的字符集，那么将会使用表级别的字符集。

连接字符集

前面说到了字符集的层次级别，它们是和存储相关的。而连接字符集涉及的是和 MySQL 服务器的通信。

连接字符集与下面这几个变量息息相关：

• character_set_client ：描述了客户端发送给服务器的 SQL 语句使用的是什么字符集。
• character_set_connection ：描述了服务器接收到 SQL 语句时使用什么字符集进行翻译。
• character_set_results ：描述了服务器返回给客户端的结果使用的是什么字符集。

它们的值可以通过下面的 SQL 语句查询：

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SELECT * FROM performance_schema.session_variables
WHERE VARIABLE_NAME IN (
'character_set_client', 'character_set_connection',
'character_set_results', 'collation_connection'
) ORDER BY VARIABLE_NAME;

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SHOW SESSION VARIABLES LIKE 'character\_set\_%';

如果要想修改前面提到的几个变量的值，有以下方式：

1、修改配置文件

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[mysql]
# 只针对MySQL客户端程序
default-character-set=utf8mb4

2、使用 SQL 语句

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set names utf8mb4
# 或者一个个进行修改
# SET character_set_client = utf8mb4;
# SET character_set_results = utf8mb4;
# SET collation_connection = utf8mb4;

JDBC 对连接字符集的影响

不知道你们有没有碰到过存储 emoji 表情正常，但是使用类似 Navicat 之类的软件的进行查询的时候，发现 emoji 表情变成了问号的情况。这个问题很有可能就是 JDBC 驱动引起的。

根据前面的内容，我们知道连接字符集也是会影响我们存储的数据的，而 JDBC 驱动会影响连接字符集。

mysql-connector-java （JDBC 驱动）主要通过这几个属性影响连接字符集：

• characterEncoding
• characterSetResults

以 DataGrip 2023.1.2 来说，在它配置数据源的高级对话框中，可以看到 characterSetResults 的默认值是 utf8 ，在使用 mysql-connector-java 8.0.25 时，连接字符集最后会被设置成 utf8mb3 。那么这种情况下 emoji 表情就会被显示为问号，并且当前版本驱动还不支持把 characterSetResults 设置为 utf8mb4 ，不过换成 mysql-connector-java driver 8.0.29 却是允许的。

具体可以看一下 StackOverflow 的 DataGrip MySQL stores emojis correctly but displays them as?这个回答。

UTF-8 使用

通常情况下，我们建议使用 UTF-8 作为默认的字符编码方式。

不过，这里有一个小坑。

MySQL 字符编码集中有两套 UTF-8 编码实现：

• **utf8**：utf8编码只支持1-3个字节 。 在 utf8 编码中，中文是占 3 个字节，其他数字、英文、符号占一个字节。但 emoji 符号占 4 个字节，一些较复杂的文字、繁体字也是 4 个字节。
• **utf8mb4**：UTF-8 的完整实现，正版！最多支持使用 4 个字节表示字符，因此，可以用来存储 emoji 符号。

为什么有两套 UTF-8 编码实现呢？ 原因如下：

因此，如果你需要存储emoji类型的数据或者一些比较复杂的文字、繁体字到 MySQL 数据库的话，数据库的编码一定要指定为utf8mb4 而不是utf8 ，要不然存储的时候就会报错了。

演示一下吧！（环境：MySQL 5.7+）

建表语句如下，我们指定数据库 CHARSET 为 utf8 。

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CREATE TABLE `user` (
  `id` varchar(66) CHARACTER SET utf8mb3 NOT NULL,
  `name` varchar(33) CHARACTER SET utf8mb3 NOT NULL,
  `phone` varchar(33) CHARACTER SET utf8mb3 DEFAULT NULL,
  `password` varchar(100) CHARACTER SET utf8mb3 DEFAULT NULL
) ENGINE=InnoDB DEFAULT CHARSET=utf8;

当我们执行下面的 insert 语句插入数据到数据库时，果然报错！

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INSERT INTO `user` (`id`, `name`, `phone`, `password`)
VALUES
 ('A00003', 'guide哥😘😘😘', '181631312312', '123456');

报错信息如下：

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Incorrect string value: '\xF0\x9F\x98\x98\xF0\x9F...' for column 'name' at row 1

参考

• 字符集和字符编码（Charset & Encoding）：https://www.cnblogs.com/skynet/archive/2011/05/03/2035105.html
• 十分钟搞清字符集和字符编码：http://cenalulu.github.io/linux/character-encoding/
• Unicode-维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/Unicode
• GB2312-维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/GB_2312
• UTF-8-维基百科：https://zh.wikipedia.org/wiki/UTF-8
• GB18030-维基百科: https://zh.wikipedia.org/wiki/GB_18030
• MySQL8 文档：https://dev.mysql.com/doc/refman/8.0/en/charset.html
• MySQL5.7 文档：https://dev.mysql.com/doc/refman/5.7/en/charset.html
• MySQL Connector/J 文档：https://dev.mysql.com/doc/connector-j/8.0/en/connector-j-reference-charsets.html

数据库知识基础，这部分内容一定要理解记忆。虽然这部分内容只是理论知识，但是非常重要，这是后面学习 MySQL 数据库的基础。PS: 这部分内容由于涉及太多概念性内容，所以参考了维基百科和百度百科相应的介绍。

什么是数据库, 数据库管理系统, 数据库系统, 数据库管理员?

• 数据库 : 数据库(DataBase 简称 DB)就是信息的集合或者说数据库是由数据库管理系统管理的数据的集合。
• 数据库管理系统 : 数据库管理系统(Database Management System 简称 DBMS)是一种操纵和管理数据库的大型软件，通常用于建立、使用和维护数据库。
• 数据库系统 : 数据库系统(Data Base System，简称 DBS)通常由软件、数据库和数据管理员(DBA)组成。
• 数据库管理员 : 数据库管理员(Database Administrator, 简称 DBA)负责全面管理和控制数据库系统。

什么是元组, 码, 候选码, 主码, 外码, 主属性, 非主属性？

• 元组：元组（tuple）是关系数据库中的基本概念，关系是一张表，表中的每行（即数据库中的每条记录）就是一个元组，每列就是一个属性。 在二维表里，元组也称为行。
• 码：码就是能唯一标识实体的属性，对应表中的列。
• 候选码：若关系中的某一属性或属性组的值能唯一的标识一个元组，而其任何、子集都不能再标识，则称该属性组为候选码。例如：在学生实体中，“学号”是能唯一的区分学生实体的，同时又假设“姓名”、“班级”的属性组合足以区分学生实体，那么{学号}和{姓名，班级}都是候选码。
• 主码 : 主码也叫主键。主码是从候选码中选出来的。 一个实体集中只能有一个主码，但可以有多个候选码。
• 外码 : 外码也叫外键。如果一个关系中的一个属性是另外一个关系中的主码则这个属性为外码。
• 主属性：候选码中出现过的属性称为主属性。比如关系 工人（工号，身份证号，姓名，性别，部门）. 显然工号和身份证号都能够唯一标示这个关系，所以都是候选码。工号、身份证号这两个属性就是主属性。如果主码是一个属性组，那么属性组中的属性都是主属性。
• 非主属性： 不包含在任何一个候选码中的属性称为非主属性。比如在关系——学生（学号，姓名，年龄，性别，班级）中，主码是“学号”，那么其他的“姓名”、“年龄”、“性别”、“班级”就都可以称为非主属性。

什么是 ER 图？

我们做一个项目的时候一定要试着画 ER 图来捋清数据库设计，这个也是面试官问你项目的时候经常会被问到的。

ER 图 全称是 Entity Relationship Diagram（实体联系图），提供了表示实体类型、属性和联系的方法。

ER 图由下面 3 个要素组成：

• 实体：通常是现实世界的业务对象，当然使用一些逻辑对象也可以。比如对于一个校园管理系统，会涉及学生、教师、课程、班级等等实体。在 ER 图中，实体使用矩形框表示。
• 属性：即某个实体拥有的属性，属性用来描述组成实体的要素，对于产品设计来说可以理解为字段。在 ER 图中，属性使用椭圆形表示。
• 联系：即实体与实体之间的关系，在 ER 图中用菱形表示，这个关系不仅有业务关联关系，还能通过数字表示实体之间的数量对照关系。例如，一个班级会有多个学生就是一种实体间的联系。

下图是一个学生选课的 ER 图，每个学生可以选若干门课程，同一门课程也可以被若干人选择，所以它们之间的关系是多对多（M: N）。另外，还有其他两种实体之间的关系是：1 对 1（1:1）、1 对多（1: N）。

数据库范式了解吗?

数据库范式有 3 种：

• 1NF(第一范式)：属性不可再分。
• 2NF(第二范式)：1NF 的基础之上，消除了非主属性对于码的部分函数依赖。
• 3NF(第三范式)：3NF 在 2NF 的基础之上，消除了非主属性对于码的传递函数依赖 。

1NF(第一范式)

属性（对应于表中的字段）不能再被分割，也就是这个字段只能是一个值，不能再分为多个其他的字段了。1NF 是所有关系型数据库的最基本要求 ，也就是说关系型数据库中创建的表一定满足第一范式。

2NF(第二范式)

2NF 在 1NF 的基础之上，消除了非主属性对于码的部分函数依赖。如下图所示，展示了第一范式到第二范式的过渡。第二范式在第一范式的基础上增加了一个列，这个列称为主键，非主属性都依赖于主键。

一些重要的概念：

• 函数依赖（functional dependency）：若在一张表中，在属性（或属性组）X 的值确定的情况下，必定能确定属性 Y 的值，那么就可以说 Y 函数依赖于 X，写作 X → Y。
• 部分函数依赖（partial functional dependency）：如果 X→Y，并且存在 X 的一个真子集 X0，使得 X0→Y，则称 Y 对 X 部分函数依赖。比如学生基本信息表 R 中（学号，身份证号，姓名）当然学号属性取值是唯一的，在 R 关系中，（学号，身份证号）->（姓名），（学号）->（姓名），（身份证号）->（姓名）；所以姓名部分函数依赖于（学号，身份证号）；
• **完全函数依赖(Full functional dependency)**：在一个关系中，若某个非主属性数据项依赖于全部关键字称之为完全函数依赖。比如学生基本信息表 R（学号，班级，姓名）假设不同的班级学号有相同的，班级内学号不能相同，在 R 关系中，（学号，班级）->（姓名），但是（学号）->(姓名)不成立，（班级）->(姓名)不成立，所以姓名完全函数依赖与（学号，班级）；
• 传递函数依赖：在关系模式 R(U)中，设 X，Y，Z 是 U 的不同的属性子集，如果 X 确定 Y、Y 确定 Z，且有 X 不包含 Y，Y 不确定 X，（X∪Y）∩Z=空集合，则称 Z 传递函数依赖(transitive functional dependency) 于 X。传递函数依赖会导致数据冗余和异常。传递函数依赖的 Y 和 Z 子集往往同属于某一个事物，因此可将其合并放到一个表中。比如在关系 R(学号 , 姓名, 系名，系主任)中，学号 → 系名，系名 → 系主任，所以存在非主属性系主任对于学号的传递函数依赖。

3NF(第三范式)

3NF 在 2NF 的基础之上，消除了非主属性对于码的传递函数依赖 。符合 3NF 要求的数据库设计，基本上解决了数据冗余过大，插入异常，修改异常，删除异常的问题。比如在关系 R(学号 , 姓名, 系名，系主任)中，学号 → 系名，系名 → 系主任，所以存在非主属性系主任对于学号的传递函数依赖，所以该表的设计，不符合 3NF 的要求。

主键和外键有什么区别?

• **主键(主码)**：主键用于唯一标识一个元组，不能有重复，不允许为空。一个表只能有一个主键。
• **外键(外码)**：外键用来和其他表建立联系用，外键是另一表的主键，外键是可以有重复的，可以是空值。一个表可以有多个外键。

为什么不推荐使用外键与级联？

对于外键和级联，阿里巴巴开发手册这样说到：

【强制】不得使用外键与级联，一切外键概念必须在应用层解决。

说明: 以学生和成绩的关系为例，学生表中的 student_id 是主键，那么成绩表中的 student_id 则为外键。如果更新学生表中的 student_id，同时触发成绩表中的 student_id 更新，即为级联更新。外键与级联更新适用于单机低并发，不适合分布式、高并发集群；级联更新是强阻塞，存在数据库更新风暴的风险；外键影响数据库的插入速度

为什么不要用外键呢？大部分人可能会这样回答：

1. 增加了复杂性： a. 每次做 DELETE 或者 UPDATE 都必须考虑外键约束，会导致开发的时候很痛苦, 测试数据极为不方便; b. 外键的主从关系是定的，假如哪天需求有变化，数据库中的这个字段根本不需要和其他表有关联的话就会增加很多麻烦。
2. 增加了额外工作：数据库需要增加维护外键的工作，比如当我们做一些涉及外键字段的增，删，更新操作之后，需要触发相关操作去检查，保证数据的的一致性和正确性，这样会不得不消耗数据库资源。如果在应用层面去维护的话，可以减小数据库压力；
3. 对分库分表不友好：因为分库分表下外键是无法生效的。
4. ……

我个人觉得上面这种回答不是特别的全面，只是说了外键存在的一个常见的问题。实际上，我们知道外键也是有很多好处的，比如：

1. 保证了数据库数据的一致性和完整性；
2. 级联操作方便，减轻了程序代码量；
3. ……

所以说，不要一股脑的就抛弃了外键这个概念，既然它存在就有它存在的道理，如果系统不涉及分库分表，并发量不是很高的情况还是可以考虑使用外键的。

什么是存储过程?

我们可以把存储过程看成是一些 SQL 语句的集合，中间加了点逻辑控制语句。存储过程在业务比较复杂的时候是非常实用的，比如很多时候我们完成一个操作可能需要写一大串 SQL 语句，这时候我们就可以写有一个存储过程，这样也方便了我们下一次的调用。存储过程一旦调试完成通过后就能稳定运行，另外，使用存储过程比单纯 SQL 语句执行要快，因为存储过程是预编译过的。

存储过程在互联网公司应用不多，因为存储过程难以调试和扩展，而且没有移植性，还会消耗数据库资源。

阿里巴巴 Java 开发手册里要求禁止使用存储过程。

drop、delete 与 truncate 区别？

用法不同

• drop(丢弃数据): drop table 表名 ，直接将表都删除掉，在删除表的时候使用。
• truncate (清空数据) : truncate table 表名 ，只删除表中的数据，再插入数据的时候自增长 id 又从 1 开始，在清空表中数据的时候使用。
• delete（删除数据） : delete from 表名 where 列名=值，删除某一行的数据，如果不加 where 子句和truncate table 表名作用类似。

truncate 和不带 where子句的 delete、以及 drop 都会删除表内的数据，但是 truncate 和 delete 只删除数据不删除表的结构(定义)，执行 drop 语句，此表的结构也会删除，也就是执行drop 之后对应的表不复存在。

属于不同的数据库语言

truncate 和 drop 属于 DDL(数据定义语言)语句，操作立即生效，原数据不放到 rollback segment 中，不能回滚，操作不触发 trigger。而 delete 语句是 DML (数据库操作语言)语句，这个操作会放到 rollback segment 中，事务提交之后才生效。

DML 语句和 DDL 语句区别：

• DML 是数据库操作语言（Data Manipulation Language）的缩写，是指对数据库中表记录的操作，主要包括表记录的插入、更新、删除和查询，是开发人员日常使用最频繁的操作。
• DDL （Data Definition Language）是数据定义语言的缩写，简单来说，就是对数据库内部的对象进行创建、删除、修改的操作语言。它和 DML 语言的最大区别是 DML 只是对表内部数据的操作，而不涉及到表的定义、结构的修改，更不会涉及到其他对象。DDL 语句更多的被数据库管理员（DBA）所使用，一般的开发人员很少使用。

另外，由于select不会对表进行破坏，所以有的地方也会把select单独区分开叫做数据库查询语言 DQL（Data Query Language）。

执行速度不同

一般来说：drop > truncate > delete（这个我没有实际测试过）。

• delete命令执行的时候会产生数据库的binlog日志，而日志记录是需要消耗时间的，但是也有个好处方便数据回滚恢复。
• truncate命令执行的时候不会产生数据库日志，因此比delete要快。除此之外，还会把表的自增值重置和索引恢复到初始大小等。
• drop命令会把表占用的空间全部释放掉。

Tips：你应该更多地关注在使用场景上，而不是执行效率。

数据库设计通常分为哪几步?

1. 需求分析 : 分析用户的需求，包括数据、功能和性能需求。
2. 概念结构设计 : 主要采用 E-R 模型进行设计，包括画 E-R 图。
3. 逻辑结构设计 : 通过将 E-R 图转换成表，实现从 E-R 模型到关系模型的转换。
4. 物理结构设计 : 主要是为所设计的数据库选择合适的存储结构和存取路径。
5. 数据库实施 : 包括编程、测试和试运行
6. 数据库的运行和维护 : 系统的运行与数据库的日常维护。

参考

• https://blog.csdn.net/rl529014/article/details/48391465
• https://www.zhihu.com/question/24696366/answer/29189700
• https://blog.csdn.net/bieleyang/article/details/77149954

Atomic 原子类介绍

Atomic 翻译成中文是“原子”的意思。在化学上，原子是构成物质的最小单位，在化学反应中不可分割。在编程中，Atomic 指的是一个操作具有原子性，即该操作不可分割、不可中断。即使在多个线程同时执行时，该操作要么全部执行完成，要么不执行，不会被其他线程看到部分完成的状态。

原子类简单来说就是具有原子性操作特征的类。

java.util.concurrent.atomic 包中的 Atomic 原子类提供了一种线程安全的方式来操作单个变量。

Atomic 类依赖于 CAS（Compare-And-Swap，比较并交换）乐观锁来保证其方法的原子性，而不需要使用传统的锁机制（如 synchronized 块或 ReentrantLock）。

这篇文章我们只介绍 Atomic 原子类的概念，具体实现原理可以阅读笔者写的这篇文章：CAS 详解。

根据操作的数据类型，可以将 JUC 包中的原子类分为 4 类：

1、基本类型

使用原子的方式更新基本类型

• AtomicInteger：整型原子类
• AtomicLong：长整型原子类
• AtomicBoolean：布尔型原子类

2、数组类型

使用原子的方式更新数组里的某个元素

• AtomicIntegerArray：整型数组原子类
• AtomicLongArray：长整型数组原子类
• AtomicReferenceArray：引用类型数组原子类

3、引用类型

• AtomicReference：引用类型原子类
• AtomicMarkableReference：原子更新带有标记的引用类型。该类将 boolean 标记与引用关联起来，也可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

🐛 修正（参见：issue#626） : AtomicMarkableReference 不能解决 ABA 问题。

4、对象的属性修改类型

• AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整型字段的更新器
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整型字段的更新器
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段

基本类型原子类

使用原子的方式更新基本类型

• AtomicInteger：整型原子类
• AtomicLong：长整型原子类
• AtomicBoolean：布尔型原子类

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们这里以 AtomicInteger 为例子来介绍。

AtomicInteger 类常用方法 ：

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public final int get() //获取当前的值
public final int getAndSet(int newValue)//获取当前的值，并设置新的值
public final int getAndIncrement()//获取当前的值，并自增
public final int getAndDecrement() //获取当前的值，并自减
public final int getAndAdd(int delta) //获取当前的值，并加上预期的值
boolean compareAndSet(int expect, int update) //如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将该值设置为输入值（update）
public final void lazySet(int newValue)//最终设置为newValue, lazySet 提供了一种比 set 方法更弱的语义，可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值，但可能更高效。

AtomicInteger 类使用示例 :

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// 初始化 AtomicInteger 对象，初始值为 0
AtomicInteger atomicInt = new AtomicInteger(0);

// 使用 getAndSet 方法获取当前值，并设置新值为 3
int tempValue = atomicInt.getAndSet(3);
System.out.println("tempValue: " + tempValue + "; atomicInt: " + atomicInt);

// 使用 getAndIncrement 方法获取当前值，并自增 1
tempValue = atomicInt.getAndIncrement();
System.out.println("tempValue: " + tempValue + "; atomicInt: " + atomicInt);

// 使用 getAndAdd 方法获取当前值，并增加指定值 5
tempValue = atomicInt.getAndAdd(5);
System.out.println("tempValue: " + tempValue + "; atomicInt: " + atomicInt);

// 使用 compareAndSet 方法进行原子性条件更新，期望值为 9，更新值为 10
boolean updateSuccess = atomicInt.compareAndSet(9, 10);
System.out.println("Update Success: " + updateSuccess + "; atomicInt: " + atomicInt);

// 获取当前值
int currentValue = atomicInt.get();
System.out.println("Current value: " + currentValue);

// 使用 lazySet 方法设置新值为 15
atomicInt.lazySet(15);
System.out.println("After lazySet, atomicInt: " + atomicInt);

输出：

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tempValue: 0; atomicInt: 3
tempValue: 3; atomicInt: 4
tempValue: 4; atomicInt: 9
Update Success: true; atomicInt: 10
Current value: 10
After lazySet, atomicInt: 15

数组类型原子类

使用原子的方式更新数组里的某个元素

• AtomicIntegerArray：整形数组原子类
• AtomicLongArray：长整形数组原子类
• AtomicReferenceArray：引用类型数组原子类

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们这里以 AtomicIntegerArray 为例子来介绍。

AtomicIntegerArray 类常用方法：

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public final int get(int i) //获取 index=i 位置元素的值
public final int getAndSet(int i, int newValue)//返回 index=i 位置的当前的值，并将其设置为新值：newValue
public final int getAndIncrement(int i)//获取 index=i 位置元素的值，并让该位置的元素自增
public final int getAndDecrement(int i) //获取 index=i 位置元素的值，并让该位置的元素自减
public final int getAndAdd(int i, int delta) //获取 index=i 位置元素的值，并加上预期的值
boolean compareAndSet(int i, int expect, int update) //如果输入的数值等于预期值，则以原子方式将 index=i 位置的元素值设置为输入值（update）
public final void lazySet(int i, int newValue)//最终 将index=i 位置的元素设置为newValue,使用 lazySet 设置之后可能导致其他线程在之后的一小段时间内还是可以读到旧的值。

AtomicIntegerArray 类使用示例 :

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int[] nums = {1, 2, 3, 4, 5, 6};
// 创建 AtomicIntegerArray
AtomicIntegerArray atomicArray = new AtomicIntegerArray(nums);

// 打印 AtomicIntegerArray 中的初始值
System.out.println("Initial values in AtomicIntegerArray:");
for (int j = 0; j < nums.length; j++) {
    System.out.print("Index " + j + ": " + atomicArray.get(j) + " ");
}

// 使用 getAndSet 方法将索引 0 处的值设置为 2，并返回旧值
int tempValue = atomicArray.getAndSet(0, 2);
System.out.println("\nAfter getAndSet(0, 2):");
System.out.println("Returned value: " + tempValue);
for (int j = 0; j < atomicArray.length(); j++) {
    System.out.print("Index " + j + ": " + atomicArray.get(j) + " ");
}

// 使用 getAndIncrement 方法将索引 0 处的值加 1，并返回旧值
tempValue = atomicArray.getAndIncrement(0);
System.out.println("\nAfter getAndIncrement(0):");
System.out.println("Returned value: " + tempValue);
for (int j = 0; j < atomicArray.length(); j++) {
    System.out.print("Index " + j + ": " + atomicArray.get(j) + " ");
}

// 使用 getAndAdd 方法将索引 0 处的值增加 5，并返回旧值
tempValue = atomicArray.getAndAdd(0, 5);
System.out.println("\nAfter getAndAdd(0, 5):");
System.out.println("Returned value: " + tempValue);
for (int j = 0; j < atomicArray.length(); j++) {
    System.out.print("Index " + j + ": " + atomicArray.get(j) + " ");
}

输出：

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Initial values in AtomicIntegerArray:
Index 0: 1 Index 1: 2 Index 2: 3 Index 3: 4 Index 4: 5 Index 5: 6
After getAndSet(0, 2):
Returned value: 1
Index 0: 2 Index 1: 2 Index 2: 3 Index 3: 4 Index 4: 5 Index 5: 6
After getAndIncrement(0):
Returned value: 2
Index 0: 3 Index 1: 2 Index 2: 3 Index 3: 4 Index 4: 5 Index 5: 6
After getAndAdd(0, 5):
Returned value: 3
Index 0: 8 Index 1: 2 Index 2: 3 Index 3: 4 Index 4: 5 Index 5: 6

引用类型原子类

基本类型原子类只能更新一个变量，如果需要原子更新多个变量，需要使用 引用类型原子类。

• AtomicReference：引用类型原子类
• AtomicStampedReference：原子更新带有版本号的引用类型。该类将整数值与引用关联起来，可用于解决原子的更新数据和数据的版本号，可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。
• AtomicMarkableReference：原子更新带有标记的引用类型。该类将 boolean 标记与引用关联起来，也可以解决使用 CAS 进行原子更新时可能出现的 ABA 问题。

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们这里以 AtomicReference 为例子来介绍。

AtomicReference 类使用示例 :

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// Person 类
class Person {
    private String name;
    private int age;
    //省略getter/setter和toString
}


// 创建 AtomicReference 对象并设置初始值
AtomicReference<Person> ar = new AtomicReference<>(new Person("SnailClimb", 22));

// 打印初始值
System.out.println("Initial Person: " + ar.get().toString());

// 更新值
Person updatePerson = new Person("Daisy", 20);
ar.compareAndSet(ar.get(), updatePerson);

// 打印更新后的值
System.out.println("Updated Person: " + ar.get().toString());

// 尝试再次更新
Person anotherUpdatePerson = new Person("John", 30);
boolean isUpdated = ar.compareAndSet(updatePerson, anotherUpdatePerson);

// 打印是否更新成功及最终值
System.out.println("Second Update Success: " + isUpdated);
System.out.println("Final Person: " + ar.get().toString());

输出：

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Initial Person: Person{name='SnailClimb', age=22}
Updated Person: Person{name='Daisy', age=20}
Second Update Success: true
Final Person: Person{name='John', age=30}

AtomicStampedReference 类使用示例 :

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// 创建一个 AtomicStampedReference 对象，初始值为 "SnailClimb"，初始版本号为 1
AtomicStampedReference<String> asr = new AtomicStampedReference<>("SnailClimb", 1);

// 打印初始值和版本号
int[] initialStamp = new int[1];
String initialRef = asr.get(initialStamp);
System.out.println("Initial Reference: " + initialRef + ", Initial Stamp: " + initialStamp[0]);

// 更新值和版本号
int oldStamp = initialStamp[0];
String oldRef = initialRef;
String newRef = "Daisy";
int newStamp = oldStamp + 1;

boolean isUpdated = asr.compareAndSet(oldRef, newRef, oldStamp, newStamp);
System.out.println("Update Success: " + isUpdated);

// 打印更新后的值和版本号
int[] updatedStamp = new int[1];
String updatedRef = asr.get(updatedStamp);
System.out.println("Updated Reference: " + updatedRef + ", Updated Stamp: " + updatedStamp[0]);

// 尝试用错误的版本号更新
boolean isUpdatedWithWrongStamp = asr.compareAndSet(newRef, "John", oldStamp, newStamp + 1);
System.out.println("Update with Wrong Stamp Success: " + isUpdatedWithWrongStamp);

// 打印最终的值和版本号
int[] finalStamp = new int[1];
String finalRef = asr.get(finalStamp);
System.out.println("Final Reference: " + finalRef + ", Final Stamp: " + finalStamp[0]);

输出结果如下：

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Initial Reference: SnailClimb, Initial Stamp: 1
Update Success: true
Updated Reference: Daisy, Updated Stamp: 2
Update with Wrong Stamp Success: false
Final Reference: Daisy, Final Stamp: 2

AtomicMarkableReference 类使用示例 :

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// 创建一个 AtomicMarkableReference 对象，初始值为 "SnailClimb"，初始标记为 false
AtomicMarkableReference<String> amr = new AtomicMarkableReference<>("SnailClimb", false);

// 打印初始值和标记
boolean[] initialMark = new boolean[1];
String initialRef = amr.get(initialMark);
System.out.println("Initial Reference: " + initialRef + ", Initial Mark: " + initialMark[0]);

// 更新值和标记
String oldRef = initialRef;
String newRef = "Daisy";
boolean oldMark = initialMark[0];
boolean newMark = true;

boolean isUpdated = amr.compareAndSet(oldRef, newRef, oldMark, newMark);
System.out.println("Update Success: " + isUpdated);

// 打印更新后的值和标记
boolean[] updatedMark = new boolean[1];
String updatedRef = amr.get(updatedMark);
System.out.println("Updated Reference: " + updatedRef + ", Updated Mark: " + updatedMark[0]);

// 尝试用错误的标记更新
boolean isUpdatedWithWrongMark = amr.compareAndSet(newRef, "John", oldMark, !newMark);
System.out.println("Update with Wrong Mark Success: " + isUpdatedWithWrongMark);

// 打印最终的值和标记
boolean[] finalMark = new boolean[1];
String finalRef = amr.get(finalMark);
System.out.println("Final Reference: " + finalRef + ", Final Mark: " + finalMark[0]);

输出结果如下：

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Initial Reference: SnailClimb, Initial Mark: false
Update Success: true
Updated Reference: Daisy, Updated Mark: true
Update with Wrong Mark Success: false
Final Reference: Daisy, Final Mark: true

对象的属性修改类型原子类

如果需要原子更新某个类里的某个字段时，需要用到对象的属性修改类型原子类。

• AtomicIntegerFieldUpdater:原子更新整形字段的更新器
• AtomicLongFieldUpdater：原子更新长整形字段的更新器
• AtomicReferenceFieldUpdater：原子更新引用类型里的字段的更新器

要想原子地更新对象的属性需要两步。第一步，因为对象的属性修改类型原子类都是抽象类，所以每次使用都必须使用静态方法 newUpdater()创建一个更新器，并且需要设置想要更新的类和属性。第二步，更新的对象属性必须使用 public volatile 修饰符。

上面三个类提供的方法几乎相同，所以我们这里以 AtomicIntegerFieldUpdater为例子来介绍。

AtomicIntegerFieldUpdater 类使用示例 :

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// Person 类
class Person {
    private String name;
    // 要使用 AtomicIntegerFieldUpdater，字段必须是 public volatile
    private volatile int age;
    //省略getter/setter和toString
}

// 创建 AtomicIntegerFieldUpdater 对象
AtomicIntegerFieldUpdater<Person> ageUpdater = AtomicIntegerFieldUpdater.newUpdater(Person.class, "age");

// 创建 Person 对象
Person person = new Person("SnailClimb", 22);

// 打印初始值
System.out.println("Initial Person: " + person);

// 更新 age 字段
ageUpdater.incrementAndGet(person); // 自增
System.out.println("After Increment: " + person);

ageUpdater.addAndGet(person, 5); // 增加 5
System.out.println("After Adding 5: " + person);

ageUpdater.compareAndSet(person, 28, 30); // 如果当前值是 28，则设置为 30
System.out.println("After Compare and Set (28 to 30): " + person);

// 尝试使用错误的比较值进行更新
boolean isUpdated = ageUpdater.compareAndSet(person, 28, 35); // 这次应该失败
System.out.println("Compare and Set (28 to 35) Success: " + isUpdated);
System.out.println("Final Person: " + person);

输出结果：

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Initial Person: Name: SnailClimb, Age: 22
After Increment: Name: SnailClimb, Age: 23
After Adding 5: Name: SnailClimb, Age: 28
After Compare and Set (28 to 30): Name: SnailClimb, Age: 30
Compare and Set (28 to 35) Success: false
Final Person: Name: SnailClimb, Age: 30

参考

• 《Java 并发编程的艺术》

本文由 SnailClimb 和 guang19 共同完成。

关于事务基本概览的介绍，请看这篇文章的介绍：MySQL 常见知识点&面试题总结

事务隔离级别总结

SQL 标准定义了四个隔离级别：

• READ-UNCOMMITTED(读取未提交) ：最低的隔离级别，允许读取尚未提交的数据变更，可能会导致脏读、幻读或不可重复读。
• READ-COMMITTED(读取已提交) ：允许读取并发事务已经提交的数据，可以阻止脏读，但是幻读或不可重复读仍有可能发生。
• REPEATABLE-READ(可重复读) ：对同一字段的多次读取结果都是一致的，除非数据是被本身事务自己所修改，可以阻止脏读和不可重复读，但幻读仍有可能发生。
• SERIALIZABLE(可串行化) ：最高的隔离级别，完全服从 ACID 的隔离级别。所有的事务依次逐个执行，这样事务之间就完全不可能产生干扰，也就是说，该级别可以防止脏读、不可重复读以及幻读。

MySQL InnoDB 存储引擎的默认支持的隔离级别是 REPEATABLE-READ（可重读）。我们可以通过SELECT @@tx_isolation;命令来查看，MySQL 8.0 该命令改为SELECT @@transaction_isolation;

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MySQL> SELECT @@tx_isolation;
+-----------------+
| @@tx_isolation  |
+-----------------+
| REPEATABLE-READ |
+-----------------+

从上面对 SQL 标准定义了四个隔离级别的介绍可以看出，标准的 SQL 隔离级别定义里，REPEATABLE-READ(可重复读)是不可以防止幻读的。

但是！InnoDB 实现的 REPEATABLE-READ 隔离级别其实是可以解决幻读问题发生的，主要有下面两种情况：

• 快照读：由 MVCC 机制来保证不出现幻读。
• 当前读：使用 Next-Key Lock 进行加锁来保证不出现幻读，Next-Key Lock 是行锁（Record Lock）和间隙锁（Gap Lock）的结合，行锁只能锁住已经存在的行，为了避免插入新行，需要依赖间隙锁。

因为隔离级别越低，事务请求的锁越少，所以大部分数据库系统的隔离级别都是 READ-COMMITTED ，但是你要知道的是 InnoDB 存储引擎默认使用 REPEATABLE-READ 并不会有任何性能损失。

InnoDB 存储引擎在分布式事务的情况下一般会用到 SERIALIZABLE 隔离级别。

《MySQL 技术内幕：InnoDB 存储引擎(第 2 版)》7.7 章这样写到：

InnoDB 存储引擎提供了对 XA 事务的支持，并通过 XA 事务来支持分布式事务的实现。分布式事务指的是允许多个独立的事务资源（transactional resources）参与到一个全局的事务中。事务资源通常是关系型数据库系统，但也可以是其他类型的资源。全局事务要求在其中的所有参与的事务要么都提交，要么都回滚，这对于事务原有的 ACID 要求又有了提高。另外，在使用分布式事务时，InnoDB 存储引擎的事务隔离级别必须设置为 SERIALIZABLE。

实际情况演示

在下面我会使用 2 个命令行 MySQL ，模拟多线程（多事务）对同一份数据的脏读问题。

MySQL 命令行的默认配置中事务都是自动提交的，即执行 SQL 语句后就会马上执行 COMMIT 操作。如果要显式地开启一个事务需要使用命令：START TRANSACTION。

我们可以通过下面的命令来设置隔离级别。

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SET [SESSION|GLOBAL] TRANSACTION ISOLATION LEVEL [READ UNCOMMITTED|READ COMMITTED|REPEATABLE READ|SERIALIZABLE]

我们再来看一下我们在下面实际操作中使用到的一些并发控制语句:

• START TRANSACTION |BEGIN：显式地开启一个事务。
• COMMIT：提交事务，使得对数据库做的所有修改成为永久性。
• ROLLBACK：回滚会结束用户的事务，并撤销正在进行的所有未提交的修改。

脏读(读未提交)

避免脏读(读已提交)

不可重复读

还是刚才上面的读已提交的图，虽然避免了读未提交，但是却出现了，一个事务还没有结束，就发生了 不可重复读问题。

可重复读

幻读

演示幻读出现的情况

SQL 脚本 1 在第一次查询工资为 500 的记录时只有一条，SQL 脚本 2 插入了一条工资为 500 的记录，提交之后；SQL 脚本 1 在同一个事务中再次使用当前读查询发现出现了两条工资为 500 的记录这种就是幻读。

解决幻读的方法

解决幻读的方式有很多，但是它们的核心思想就是一个事务在操作某张表数据的时候，另外一个事务不允许新增或者删除这张表中的数据了。解决幻读的方式主要有以下几种：

1. 将事务隔离级别调整为 SERIALIZABLE 。
2. 在可重复读的事务级别下，给事务操作的这张表添加表锁。
3. 在可重复读的事务级别下，给事务操作的这张表添加 Next-key Lock（Record Lock+Gap Lock）。

参考

• 《MySQL 技术内幕：InnoDB 存储引擎》
• https://dev.MySQL.com/doc/refman/5.7/en/
• Mysql 锁：灵魂七拷问
• Innodb 中的事务隔离级别和锁的关系

本文整理完善自下面这两篇优秀的文章：

• Java 魔法类：Unsafe 应用解析 - 美团技术团队 -2019
• Java 双刃剑之 Unsafe 类详解 - 码农参上 - 2021

阅读过 JUC 源码的同学，一定会发现很多并发工具类都调用了一个叫做 Unsafe 的类。

那这个类主要是用来干什么的呢？有什么使用场景呢？这篇文章就带你搞清楚！

Unsafe 介绍

Unsafe 是位于 sun.misc 包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升 Java 运行效率、增强 Java 语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于 Unsafe 类使 Java 语言拥有了类似 C 语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用 Unsafe 类会使得程序出错的概率变大，使得 Java 这种安全的语言变得不再“安全”，因此对 Unsafe 的使用一定要慎重。

另外，Unsafe 提供的这些功能的实现需要依赖本地方法（Native Method）。你可以将本地方法看作是 Java 中使用其他编程语言编写的方法。本地方法使用 native 关键字修饰，Java 代码中只是声明方法头，具体的实现则交给 本地代码。

为什么要使用本地方法呢？

1. 需要用到 Java 中不具备的依赖于操作系统的特性，Java 在实现跨平台的同时要实现对底层的控制，需要借助其他语言发挥作用。
2. 对于其他语言已经完成的一些现成功能，可以使用 Java 直接调用。
3. 程序对时间敏感或对性能要求非常高时，有必要使用更加底层的语言，例如 C/C++甚至是汇编。

在 JUC 包的很多并发工具类在实现并发机制时，都调用了本地方法，通过它们打破了 Java 运行时的界限，能够接触到操作系统底层的某些功能。对于同一本地方法，不同的操作系统可能会通过不同的方式来实现，但是对于使用者来说是透明的，最终都会得到相同的结果。

Unsafe 创建

sun.misc.Unsafe 部分源码如下：

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public final class Unsafe {
  // 单例对象
  private static final Unsafe theUnsafe;
  ......
  private Unsafe() {
  }
  @CallerSensitive
  public static Unsafe getUnsafe() {
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    // 仅在引导类加载器`BootstrapClassLoader`加载时才合法
    if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
      throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
      return theUnsafe;
    }
  }
}

Unsafe 类为一单例实现，提供静态方法 getUnsafe 获取 Unsafe实例。这个看上去貌似可以用来获取 Unsafe 实例。但是，当我们直接调用这个静态方法的时候，会抛出 SecurityException 异常：

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Exception in thread "main" java.lang.SecurityException: Unsafe
 at sun.misc.Unsafe.getUnsafe(Unsafe.java:90)
 at com.cn.test.GetUnsafeTest.main(GetUnsafeTest.java:12)

为什么 public static 方法无法被直接调用呢？

这是因为在getUnsafe方法中，会对调用者的classLoader进行检查，判断当前类是否由Bootstrap classLoader加载，如果不是的话那么就会抛出一个SecurityException异常。也就是说，只有启动类加载器加载的类才能够调用 Unsafe 类中的方法，来防止这些方法在不可信的代码中被调用。

为什么要对 Unsafe 类进行这么谨慎的使用限制呢?

Unsafe 提供的功能过于底层（如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等），安全隐患也比较大，使用不当的话，很容易出现很严重的问题。

如若想使用 Unsafe 这个类的话，应该如何获取其实例呢？

这里介绍两个可行的方案。

1、利用反射获得 Unsafe 类中已经实例化完成的单例对象 theUnsafe 。

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private static Unsafe reflectGetUnsafe() {
    try {
      Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
      field.setAccessible(true);
      return (Unsafe) field.get(null);
    } catch (Exception e) {
      log.error(e.getMessage(), e);
      return null;
    }
}

2、从getUnsafe方法的使用限制条件出发，通过 Java 命令行命令-Xbootclasspath/a把调用 Unsafe 相关方法的类 A 所在 jar 包路径追加到默认的 bootstrap 路径中，使得 A 被引导类加载器加载，从而通过Unsafe.getUnsafe方法安全的获取 Unsafe 实例。

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java -Xbootclasspath/a: ${path}   // 其中path为调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径

Unsafe 功能

概括的来说，Unsafe 类实现功能可以被分为下面 8 类：

1. 内存操作
2. 内存屏障
3. 对象操作
4. 数据操作
5. CAS 操作
6. 线程调度
7. Class 操作
8. 系统信息

内存操作

介绍

如果你是一个写过 C 或者 C++ 的程序员，一定对内存操作不会陌生，而在 Java 中是不允许直接对内存进行操作的，对象内存的分配和回收都是由 JVM 自己实现的。但是在 Unsafe 中，提供的下列接口可以直接进行内存操作：

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//分配新的本地空间
public native long allocateMemory(long bytes);
//重新调整内存空间的大小
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
//将内存设置为指定值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//内存拷贝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset,long bytes);
//清除内存
public native void freeMemory(long address);

使用下面的代码进行测试：

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private void memoryTest() {
    int size = 4;
    long addr = unsafe.allocateMemory(size);
    long addr3 = unsafe.reallocateMemory(addr, size * 2);
    System.out.println("addr: "+addr);
    System.out.println("addr3: "+addr3);
    try {
        unsafe.setMemory(null,addr ,size,(byte)1);
        for (int i = 0; i < 2; i++) {
            unsafe.copyMemory(null,addr,null,addr3+size*i,4);
        }
        System.out.println(unsafe.getInt(addr));
        System.out.println(unsafe.getLong(addr3));
    }finally {
        unsafe.freeMemory(addr);
        unsafe.freeMemory(addr3);
    }
}

先看结果输出：

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addr: 2433733895744
addr3: 2433733894944
16843009
72340172838076673

分析一下运行结果，首先使用allocateMemory方法申请 4 字节长度的内存空间，调用setMemory方法向每个字节写入内容为byte类型的 1，当使用 Unsafe 调用getInt方法时，因为一个int型变量占 4 个字节，会一次性读取 4 个字节，组成一个int的值，对应的十进制结果为 16843009。

你可以通过下图理解这个过程：

在代码中调用reallocateMemory方法重新分配了一块 8 字节长度的内存空间，通过比较addr和addr3可以看到和之前申请的内存地址是不同的。在代码中的第二个 for 循环里，调用copyMemory方法进行了两次内存的拷贝，每次拷贝内存地址addr开始的 4 个字节，分别拷贝到以addr3和addr3+4开始的内存空间上：

拷贝完成后，使用getLong方法一次性读取 8 个字节，得到long类型的值为 72340172838076673。

需要注意，通过这种方式分配的内存属于 堆外内存 ，是无法进行垃圾回收的，需要我们把这些内存当做一种资源去手动调用freeMemory方法进行释放，否则会产生内存泄漏。通用的操作内存方式是在try中执行对内存的操作，最终在finally块中进行内存的释放。

为什么要使用堆外内存？

• 对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是 JVM，所以当我们使用堆外内存时，即可保持较小的堆内内存规模。从而在 GC 时减少回收停顿对于应用的影响。
• 提升程序 I/O 操作的性能。通常在 I/O 通信过程中，会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作，对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据，都建议存储到堆外内存。

典型应用

DirectByteBuffer 是 Java 用于实现堆外内存的一个重要类，通常用在通信过程中做缓冲池，如在 Netty、MINA 等 NIO 框架中应用广泛。DirectByteBuffer 对于堆外内存的创建、使用、销毁等逻辑均由 Unsafe 提供的堆外内存 API 来实现。

下图为 DirectByteBuffer 构造函数，创建 DirectByteBuffer 的时候，通过 Unsafe.allocateMemory 分配内存、Unsafe.setMemory 进行内存初始化，而后构建 Cleaner 对象用于跟踪 DirectByteBuffer 对象的垃圾回收，以实现当 DirectByteBuffer 被垃圾回收时，分配的堆外内存一起被释放。

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DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

    super(-1, 0, cap, cap);
    boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
    int ps = Bits.pageSize();
    long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
    Bits.reserveMemory(size, cap);

    long base = 0;
    try {
        // 分配内存并返回基地址
        base = unsafe.allocateMemory(size);
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    // 内存初始化
    unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
    if (pa && (base % ps != 0)) {
        // Round up to page boundary
        address = base + ps - (base & (ps - 1));
    } else {
        address = base;
    }
    // 跟踪 DirectByteBuffer 对象的垃圾回收，以实现堆外内存释放
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
    att = null;
}

内存屏障

介绍

在介绍内存屏障前，需要知道编译器和 CPU 会在保证程序输出结果一致的情况下，会对代码进行重排序，从指令优化角度提升性能。而指令重排序可能会带来一个不好的结果，导致 CPU 的高速缓存和内存中数据的不一致，而内存屏障（Memory Barrier）就是通过阻止屏障两边的指令重排序从而避免编译器和硬件的不正确优化情况。

在硬件层面上，内存屏障是 CPU 为了防止代码进行重排序而提供的指令，不同的硬件平台上实现内存屏障的方法可能并不相同。在 Java8 中，引入了 3 个内存屏障的函数，它屏蔽了操作系统底层的差异，允许在代码中定义、并统一由 JVM 来生成内存屏障指令，来实现内存屏障的功能。

Unsafe 中提供了下面三个内存屏障相关方法：

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//内存屏障，禁止load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障后，屏障后的load操作不能被重排序到屏障前
public native void loadFence();
//内存屏障，禁止store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后，屏障后的store操作不能被重排序到屏障前
public native void storeFence();
//内存屏障，禁止load、store操作重排序
public native void fullFence();

内存屏障可以看做对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作。以loadFence方法为例，它会禁止读操作重排序，保证在这个屏障之前的所有读操作都已经完成，并且将缓存数据设为无效，重新从主存中进行加载。

看到这估计很多小伙伴们会想到volatile关键字了，如果在字段上添加了volatile关键字，就能够实现字段在多线程下的可见性。基于读内存屏障，我们也能实现相同的功能。下面定义一个线程方法，在线程中去修改flag标志位，注意这里的flag是没有被volatile修饰的：

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@Getter
class ChangeThread implements Runnable{
    /**volatile**/ boolean flag=false;
    @Override
    public void run() {
        try {
            Thread.sleep(3000);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        System.out.println("subThread change flag to:" + flag);
        flag = true;
    }
}

在主线程的while循环中，加入内存屏障，测试是否能够感知到flag的修改变化：

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public static void main(String[] args){
    ChangeThread changeThread = new ChangeThread();
    new Thread(changeThread).start();
    while (true) {
        boolean flag = changeThread.isFlag();
        unsafe.loadFence(); //加入读内存屏障
        if (flag){
            System.out.println("detected flag changed");
            break;
        }
    }
    System.out.println("main thread end");
}

运行结果：

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subThread change flag to:false
detected flag changed
main thread end

而如果删掉上面代码中的loadFence方法，那么主线程将无法感知到flag发生的变化，会一直在while中循环。可以用图来表示上面的过程：

了解 Java 内存模型（JMM）的小伙伴们应该清楚，运行中的线程不是直接读取主内存中的变量的，只能操作自己工作内存中的变量，然后同步到主内存中，并且线程的工作内存是不能共享的。上面的图中的流程就是子线程借助于主内存，将修改后的结果同步给了主线程，进而修改主线程中的工作空间，跳出循环。

典型应用

在 Java 8 中引入了一种锁的新机制——StampedLock，它可以看成是读写锁的一个改进版本。StampedLock 提供了一种乐观读锁的实现，这种乐观读锁类似于无锁的操作，完全不会阻塞写线程获取写锁，从而缓解读多写少时写线程“饥饿”现象。由于 StampedLock 提供的乐观读锁不阻塞写线程获取读锁，当线程共享变量从主内存 load 到线程工作内存时，会存在数据不一致问题。

为了解决这个问题，StampedLock 的 validate 方法会通过 Unsafe 的 loadFence 方法加入一个 load 内存屏障。

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public boolean validate(long stamp) {
   U.loadFence();
   return (stamp & SBITS) == (state & SBITS);
}

对象操作

介绍

例子

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import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class Main {

    private int value;

    public static void main(String[] args) throws Exception{
        Unsafe unsafe = reflectGetUnsafe();
        assert unsafe != null;
        long offset = unsafe.objectFieldOffset(Main.class.getDeclaredField("value"));
        Main main = new Main();
        System.out.println("value before putInt: " + main.value);
        unsafe.putInt(main, offset, 42);
        System.out.println("value after putInt: " + main.value);
  System.out.println("value after putInt: " + unsafe.getInt(main, offset));
    }

    private static Unsafe reflectGetUnsafe() {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            return (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
            return null;
        }
    }

}

输出结果：

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value before putInt: 0
value after putInt: 42
value after putInt: 42

对象属性

对象成员属性的内存偏移量获取，以及字段属性值的修改，在上面的例子中我们已经测试过了。除了前面的putInt、getInt方法外，Unsafe 提供了全部 8 种基础数据类型以及Object的put和get方法，并且所有的put方法都可以越过访问权限，直接修改内存中的数据。阅读 openJDK 源码中的注释发现，基础数据类型和Object的读写稍有不同，基础数据类型是直接操作的属性值（value），而Object的操作则是基于引用值（reference value）。下面是Object的读写方法：

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//在对象的指定偏移地址获取一个对象引用
public native Object getObject(Object o, long offset);
//在对象指定偏移地址写入一个对象引用
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);

除了对象属性的普通读写外，Unsafe 还提供了 volatile 读写和有序写入方法。volatile读写方法的覆盖范围与普通读写相同，包含了全部基础数据类型和Object类型，以int类型为例：

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//在对象的指定偏移地址处读取一个int值，支持volatile load语义
public native int getIntVolatile(Object o, long offset);
//在对象指定偏移地址处写入一个int，支持volatile store语义
public native void putIntVolatile(Object o, long offset, int x);

相对于普通读写来说，volatile读写具有更高的成本，因为它需要保证可见性和有序性。在执行get操作时，会强制从主存中获取属性值，在使用put方法设置属性值时，会强制将值更新到主存中，从而保证这些变更对其他线程是可见的。

有序写入的方法有以下三个：

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public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x);
public native void putOrderedInt(Object o, long offset, int x);
public native void putOrderedLong(Object o, long offset, long x);

有序写入的成本相对volatile较低，因为它只保证写入时的有序性，而不保证可见性，也就是一个线程写入的值不能保证其他线程立即可见。为了解决这里的差异性，需要对内存屏障的知识点再进一步进行补充，首先需要了解两个指令的概念：

• Load：将主内存中的数据拷贝到处理器的缓存中
• Store：将处理器缓存的数据刷新到主内存中

顺序写入与volatile写入的差别在于，在顺序写时加入的内存屏障类型为StoreStore类型，而在volatile写入时加入的内存屏障是StoreLoad类型，如下图所示：

在有序写入方法中，使用的是StoreStore屏障，该屏障确保Store1立刻刷新数据到内存，这一操作先于Store2以及后续的存储指令操作。而在volatile写入中，使用的是StoreLoad屏障，该屏障确保Store1立刻刷新数据到内存，这一操作先于Load2及后续的装载指令，并且，StoreLoad屏障会使该屏障之前的所有内存访问指令，包括存储指令和访问指令全部完成之后，才执行该屏障之后的内存访问指令。

综上所述，在上面的三类写入方法中，在写入效率方面，按照put、putOrder、putVolatile的顺序效率逐渐降低。

对象实例化

使用 Unsafe 的 allocateInstance 方法，允许我们使用非常规的方式进行对象的实例化，首先定义一个实体类，并且在构造函数中对其成员变量进行赋值操作：

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@Data
public class A {
    private int b;
    public A(){
        this.b =1;
    }
}

分别基于构造函数、反射以及 Unsafe 方法的不同方式创建对象进行比较：

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public void objTest() throws Exception{
    A a1=new A();
    System.out.println(a1.getB());
    A a2 = A.class.newInstance();
    System.out.println(a2.getB());
    A a3= (A) unsafe.allocateInstance(A.class);
    System.out.println(a3.getB());
}

打印结果分别为 1、1、0，说明通过allocateInstance方法创建对象过程中，不会调用类的构造方法。使用这种方式创建对象时，只用到了Class对象，所以说如果想要跳过对象的初始化阶段或者跳过构造器的安全检查，就可以使用这种方法。在上面的例子中，如果将 A 类的构造函数改为private类型，将无法通过构造函数和反射创建对象（可以通过构造函数对象 setAccessible 后创建对象），但allocateInstance方法仍然有效。

典型应用

• 常规对象实例化方式：我们通常所用到的创建对象的方式，从本质上来讲，都是通过 new 机制来实现对象的创建。但是，new 机制有个特点就是当类只提供有参的构造函数且无显式声明无参构造函数时，则必须使用有参构造函数进行对象构造，而使用有参构造函数时，必须传递相应个数的参数才能完成对象实例化。
• 非常规的实例化方式：而 Unsafe 中提供 allocateInstance 方法，仅通过 Class 对象就可以创建此类的实例对象，而且不需要调用其构造函数、初始化代码、JVM 安全检查等。它抑制修饰符检测，也就是即使构造器是 private 修饰的也能通过此方法实例化，只需提类对象即可创建相应的对象。由于这种特性，allocateInstance 在 java.lang.invoke、Objenesis（提供绕过类构造器的对象生成方式）、Gson（反序列化时用到）中都有相应的应用。

数组操作

介绍

arrayBaseOffset 与 arrayIndexScale 这两个方法配合起来使用，即可定位数组中每个元素在内存中的位置。

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//返回数组中第一个元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> arrayClass);
//返回数组中一个元素占用的大小
public native int arrayIndexScale(Class<?> arrayClass);

典型应用

这两个与数据操作相关的方法，在 java.util.concurrent.atomic 包下的 AtomicIntegerArray（可以实现对 Integer 数组中每个元素的原子性操作）中有典型的应用，如下图 AtomicIntegerArray 源码所示，通过 Unsafe 的 arrayBaseOffset、arrayIndexScale 分别获取数组首元素的偏移地址 base 及单个元素大小因子 scale 。后续相关原子性操作，均依赖于这两个值进行数组中元素的定位，如下图二所示的 getAndAdd 方法即通过 checkedByteOffset 方法获取某数组元素的偏移地址，而后通过 CAS 实现原子性操作。

CAS 操作

介绍

这部分主要为 CAS 相关操作的方法。

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/**
  *  CAS
  * @param o         包含要修改field的对象
  * @param offset    对象中某field的偏移量
  * @param expected  期望值
  * @param update    更新值
  * @return          true | false
  */
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset,  Object expected, Object update);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);

什么是 CAS? CAS 即比较并替换（Compare And Swap)，是实现并发算法时常用到的一种技术。CAS 操作包含三个操作数——内存位置、预期原值及新值。执行 CAS 操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作。我们都知道，CAS 是一条 CPU 的原子指令（cmpxchg 指令），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe 提供的 CAS 方法（如 compareAndSwapXXX）底层实现即为 CPU 指令 cmpxchg 。

典型应用

在 JUC 包的并发工具类中大量地使用了 CAS 操作，像在前面介绍synchronized和AQS的文章中也多次提到了 CAS，其作为乐观锁在并发工具类中广泛发挥了作用。在 Unsafe 类中，提供了compareAndSwapObject、compareAndSwapInt、compareAndSwapLong方法来实现的对Object、int、long类型的 CAS 操作。以compareAndSwapInt方法为例：

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public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset,int expected,int x);

参数中o为需要更新的对象，offset是对象o中整形字段的偏移量，如果这个字段的值与expected相同，则将字段的值设为x这个新值，并且此更新是不可被中断的，也就是一个原子操作。下面是一个使用compareAndSwapInt的例子：

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private volatile int a;
public static void main(String[] args){
    CasTest casTest=new CasTest();
    new Thread(()->{
        for (int i = 1; i < 5; i++) {
            casTest.increment(i);
            System.out.print(casTest.a+" ");
        }
    }).start();
    new Thread(()->{
        for (int i = 5 ; i <10 ; i++) {
            casTest.increment(i);
            System.out.print(casTest.a+" ");
        }
    }).start();
}

private void increment(int x){
    while (true){
        try {
            long fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(CasTest.class.getDeclaredField("a"));
            if (unsafe.compareAndSwapInt(this,fieldOffset,x-1,x))
                break;
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

运行代码会依次输出：

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在上面的例子中，使用两个线程去修改int型属性a的值，并且只有在a的值等于传入的参数x减一时，才会将a的值变为x，也就是实现对a的加一的操作。流程如下所示：

需要注意的是，在调用compareAndSwapInt方法后，会直接返回true或false的修改结果，因此需要我们在代码中手动添加自旋的逻辑。在AtomicInteger类的设计中，也是采用了将compareAndSwapInt的结果作为循环条件，直至修改成功才退出死循环的方式来实现的原子性的自增操作。

线程调度

介绍

Unsafe 类中提供了park、unpark、monitorEnter、monitorExit、tryMonitorEnter方法进行线程调度。

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//取消阻塞线程
public native void unpark(Object thread);
//阻塞线程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
//获得对象锁（可重入锁）
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object o);
//释放对象锁
@Deprecated
public native void monitorExit(Object o);
//尝试获取对象锁
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

方法 park、unpark 即可实现线程的挂起与恢复，将一个线程进行挂起是通过 park 方法实现的，调用 park 方法后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现；unpark 可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。

此外，Unsafe 源码中monitor相关的三个方法已经被标记为deprecated，不建议被使用：

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//获得对象锁
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object var1);
//释放对象锁
@Deprecated
public native void monitorExit(Object var1);
//尝试获得对象锁
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object var1);

monitorEnter方法用于获得对象锁，monitorExit用于释放对象锁，如果对一个没有被monitorEnter加锁的对象执行此方法，会抛出IllegalMonitorStateException异常。tryMonitorEnter方法尝试获取对象锁，如果成功则返回true，反之返回false。

典型应用

Java 锁和同步器框架的核心类 AbstractQueuedSynchronizer (AQS)，就是通过调用LockSupport.park()和LockSupport.unpark()实现线程的阻塞和唤醒的，而 LockSupport 的 park、unpark 方法实际是调用 Unsafe 的 park、unpark 方式实现的。

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public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker);
    UNSAFE.park(false, 0L);
    setBlocker(t, null);
}
public static void unpark(Thread thread) {
    if (thread != null)
        UNSAFE.unpark(thread);
}

LockSupport 的park方法调用了 Unsafe 的park方法来阻塞当前线程，此方法将线程阻塞后就不会继续往后执行，直到有其他线程调用unpark方法唤醒当前线程。下面的例子对 Unsafe 的这两个方法进行测试：

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public static void main(String[] args) {
    Thread mainThread = Thread.currentThread();
    new Thread(()->{
        try {
            TimeUnit.SECONDS.sleep(5);
            System.out.println("subThread try to unpark mainThread");
            unsafe.unpark(mainThread);
        } catch (InterruptedException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }).start();

    System.out.println("park main mainThread");
    unsafe.park(false,0L);
    System.out.println("unpark mainThread success");
}

程序输出为：

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park main mainThread
subThread try to unpark mainThread
unpark mainThread success

程序运行的流程也比较容易看懂，子线程开始运行后先进行睡眠，确保主线程能够调用park方法阻塞自己，子线程在睡眠 5 秒后，调用unpark方法唤醒主线程，使主线程能继续向下执行。整个流程如下图所示：

Class 操作

介绍

Unsafe 对Class的相关操作主要包括类加载和静态变量的操作方法。

静态属性读取相关的方法

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//获取静态属性的偏移量
public native long staticFieldOffset(Field f);
//获取静态属性的对象指针
public native Object staticFieldBase(Field f);
//判断类是否需要初始化（用于获取类的静态属性前进行检测）
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c);

创建一个包含静态属性的类，进行测试：

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@Data
public class User {
    public static String name="Hydra";
    int age;
}
private void staticTest() throws Exception {
    User user=new User();
    // 也可以用下面的语句触发类初始化
    // 1.
    // unsafe.ensureClassInitialized(User.class);
    // 2.
    // System.out.println(User.name);
    System.out.println(unsafe.shouldBeInitialized(User.class));
    Field sexField = User.class.getDeclaredField("name");
    long fieldOffset = unsafe.staticFieldOffset(sexField);
    Object fieldBase = unsafe.staticFieldBase(sexField);
    Object object = unsafe.getObject(fieldBase, fieldOffset);
    System.out.println(object);
}

运行结果：

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false
Hydra

在 Unsafe 的对象操作中，我们学习了通过objectFieldOffset方法获取对象属性偏移量并基于它对变量的值进行存取，但是它不适用于类中的静态属性，这时候就需要使用staticFieldOffset方法。在上面的代码中，只有在获取Field对象的过程中依赖到了Class，而获取静态变量的属性时不再依赖于Class。

在上面的代码中首先创建一个User对象，这是因为如果一个类没有被初始化，那么它的静态属性也不会被初始化，最后获取的字段属性将是null。所以在获取静态属性前，需要调用shouldBeInitialized方法，判断在获取前是否需要初始化这个类。如果删除创建 User 对象的语句，运行结果会变为：

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true
null

使用defineClass方法允许程序在运行时动态地创建一个类

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public native Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ClassLoader loader,ProtectionDomain protectionDomain);

在实际使用过程中，可以只传入字节数组、起始字节的下标以及读取的字节长度，默认情况下，类加载器（ClassLoader）和保护域（ProtectionDomain）来源于调用此方法的实例。下面的例子中实现了反编译生成后的 class 文件的功能：

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private static void defineTest() {
    String fileName="F:\\workspace\\unsafe-test\\target\\classes\\com\\cn\\model\\User.class";
    File file = new File(fileName);
    try(FileInputStream fis = new FileInputStream(file)) {
        byte[] content=new byte[(int)file.length()];
        fis.read(content);
        Class clazz = unsafe.defineClass(null, content, 0, content.length, null, null);
        Object o = clazz.newInstance();
        Object age = clazz.getMethod("getAge").invoke(o, null);
        System.out.println(age);
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

在上面的代码中，首先读取了一个class文件并通过文件流将它转化为字节数组，之后使用defineClass方法动态的创建了一个类，并在后续完成了它的实例化工作，流程如下图所示，并且通过这种方式创建的类，会跳过 JVM 的所有安全检查。

除了defineClass方法外，Unsafe 还提供了一个defineAnonymousClass方法：

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public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

使用该方法可以用来动态的创建一个匿名类，在Lambda表达式中就是使用 ASM 动态生成字节码，然后利用该方法定义实现相应的函数式接口的匿名类。在 JDK 15 发布的新特性中，在隐藏类（Hidden classes）一条中，指出将在未来的版本中弃用 Unsafe 的defineAnonymousClass方法。

典型应用

Lambda 表达式实现需要依赖 Unsafe 的 defineAnonymousClass 方法定义实现相应的函数式接口的匿名类。

系统信息

介绍

这部分包含两个获取系统相关信息的方法。

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//返回系统指针的大小。返回值为4（32位系统）或 8（64位系统）。
public native int addressSize();
//内存页的大小，此值为2的幂次方。
public native int pageSize();

典型应用

这两个方法的应用场景比较少，在java.nio.Bits类中，在使用pageCount计算所需的内存页的数量时，调用了pageSize方法获取内存页的大小。另外，在使用copySwapMemory方法拷贝内存时，调用了addressSize方法，检测 32 位系统的情况。

总结

在本文中，我们首先介绍了 Unsafe 的基本概念、工作原理，并在此基础上，对它的 API 进行了说明与实践。相信大家通过这一过程，能够发现 Unsafe 在某些场景下，确实能够为我们提供编程中的便利。但是回到开头的话题，在使用这些便利时，确实存在着一些安全上的隐患，在我看来，一项技术具有不安全因素并不可怕，可怕的是它在使用过程中被滥用。尽管之前有传言说会在 Java9 中移除 Unsafe 类，不过它还是照样已经存活到了 Java16。按照存在即合理的逻辑，只要使用得当，它还是能给我们带来不少的帮助，因此最后还是建议大家，在使用 Unsafe 的过程中一定要做到使用谨慎使用、避免滥用。

实际项目中，一个接口可能需要同时获取多种不同的数据，然后再汇总返回，这种场景还是挺常见的。举个例子：用户请求获取订单信息，可能需要同时获取用户信息、商品详情、物流信息、商品推荐等数据。

如果是串行（按顺序依次执行每个任务）执行的话，接口的响应速度会非常慢。考虑到这些任务之间有大部分都是 无前后顺序关联 的，可以 并行执行 ，就比如说调用获取商品详情的时候，可以同时调用获取物流信息。通过并行执行多个任务的方式，接口的响应速度会得到大幅优化。

对于存在前后调用顺序关系的任务，可以进行任务编排。

1. 获取用户信息之后，才能调用商品详情和物流信息接口。
2. 成功获取商品详情和物流信息之后，才能调用商品推荐接口。

可能会用到多线程异步任务编排的场景（这里只是举例，数据不一定是一次返回，可能会对接口进行拆分）：

1. 首页：例如技术社区的首页可能需要同时获取文章推荐列表、广告栏、文章排行榜、热门话题等信息。
2. 详情页：例如技术社区的文章详情页可能需要同时获取作者信息、文章详情、文章评论等信息。
3. 统计模块：例如技术社区的后台统计模块可能需要同时获取粉丝数汇总、文章数据（阅读量、评论量、收藏量）汇总等信息。

对于 Java 程序来说，Java 8 才被引入的 CompletableFuture 可以帮助我们来做多个任务的编排，功能非常强大。

这篇文章是 CompletableFuture 的简单入门，带大家看看 CompletableFuture 常用的 API。

Future 介绍

Future 类是异步思想的典型运用，主要用在一些需要执行耗时任务的场景，避免程序一直原地等待耗时任务执行完成，执行效率太低。具体来说是这样的：当我们执行某一耗时的任务时，可以将这个耗时任务交给一个子线程去异步执行，同时我们可以干点其他事情，不用傻傻等待耗时任务执行完成。等我们的事情干完后，我们再通过 Future 类获取到耗时任务的执行结果。这样一来，程序的执行效率就明显提高了。

这其实就是多线程中经典的 Future 模式，你可以将其看作是一种设计模式，核心思想是异步调用，主要用在多线程领域，并非 Java 语言独有。

在 Java 中，Future 类只是一个泛型接口，位于 java.util.concurrent 包下，其中定义了 5 个方法，主要包括下面这 4 个功能：

• 取消任务；
• 判断任务是否被取消;
• 判断任务是否已经执行完成;
• 获取任务执行结果。

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// V 代表了Future执行的任务返回值的类型
public interface Future<V> {
    // 取消任务执行
    // 成功取消返回 true，否则返回 false
    boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning);
    // 判断任务是否被取消
    boolean isCancelled();
    // 判断任务是否已经执行完成
    boolean isDone();
    // 获取任务执行结果
    V get() throws InterruptedException, ExecutionException;
    // 指定时间内没有返回计算结果就抛出 TimeOutException 异常
    V get(long timeout, TimeUnit unit)

        throws InterruptedException, ExecutionException, TimeoutExceptio

}

简单理解就是：我有一个任务，提交给了 Future 来处理。任务执行期间我自己可以去做任何想做的事情。并且，在这期间我还可以取消任务以及获取任务的执行状态。一段时间之后，我就可以 Future 那里直接取出任务执行结果。

CompletableFuture 介绍

Future 在实际使用过程中存在一些局限性比如不支持异步任务的编排组合、获取计算结果的 get() 方法为阻塞调用。

Java 8 才被引入CompletableFuture 类可以解决Future 的这些缺陷。CompletableFuture 除了提供了更为好用和强大的 Future 特性之外，还提供了函数式编程、异步任务编排组合（可以将多个异步任务串联起来，组成一个完整的链式调用）等能力。

下面我们来简单看看 CompletableFuture 类的定义。

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public class CompletableFuture<T> implements Future<T>, CompletionStage<T> {
}

可以看到，CompletableFuture 同时实现了 Future 和 CompletionStage 接口。

CompletionStage 接口描述了一个异步计算的阶段。很多计算可以分成多个阶段或步骤，此时可以通过它将所有步骤组合起来，形成异步计算的流水线。

CompletableFuture 除了提供了更为好用和强大的 Future 特性之外，还提供了函数式编程的能力。

Future 接口有 5 个方法：

• boolean cancel(boolean mayInterruptIfRunning)：尝试取消执行任务。
• boolean isCancelled()：判断任务是否被取消。
• boolean isDone()：判断任务是否已经被执行完成。
• get()：等待任务执行完成并获取运算结果。
• get(long timeout, TimeUnit unit)：多了一个超时时间。

CompletionStage 接口描述了一个异步计算的阶段。很多计算可以分成多个阶段或步骤，此时可以通过它将所有步骤组合起来，形成异步计算的流水线。

CompletionStage 接口中的方法比较多，CompletableFuture 的函数式能力就是这个接口赋予的。从这个接口的方法参数你就可以发现其大量使用了 Java8 引入的函数式编程。

由于方法众多，所以这里不能一一讲解，下文中我会介绍大部分常见方法的使用。

CompletableFuture 常见操作

创建 CompletableFuture

常见的创建 CompletableFuture 对象的方法如下：

1. 通过 new 关键字。
2. 基于 CompletableFuture 自带的静态工厂方法：runAsync()、supplyAsync() 。

new 关键字

通过 new 关键字创建 CompletableFuture 对象这种使用方式可以看作是将 CompletableFuture 当做 Future 来使用。

我在我的开源项目 guide-rpc-framework 中就是这种方式创建的 CompletableFuture 对象。

下面咱们来看一个简单的案例。

我们通过创建了一个结果值类型为 RpcResponse<Object> 的 CompletableFuture，你可以把 resultFuture 看作是异步运算结果的载体。

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CompletableFuture<RpcResponse<Object>> resultFuture = new CompletableFuture<>();

假设在未来的某个时刻，我们得到了最终的结果。这时，我们可以调用 complete() 方法为其传入结果，这表示 resultFuture 已经被完成了。

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// complete() 方法只能调用一次，后续调用将被忽略。
resultFuture.complete(rpcResponse);

你可以通过 isDone() 方法来检查是否已经完成。

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public boolean isDone() {
    return result != null;
}

获取异步计算的结果也非常简单，直接调用 get() 方法即可。调用 get() 方法的线程会阻塞直到 CompletableFuture 完成运算。

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rpcResponse = completableFuture.get();

如果你已经知道计算的结果的话，可以使用静态方法 completedFuture() 来创建 CompletableFuture 。

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CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.completedFuture("hello!");
assertEquals("hello!", future.get());

completedFuture() 方法底层调用的是带参数的 new 方法，只不过，这个方法不对外暴露。

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public static <U> CompletableFuture<U> completedFuture(U value) {
    return new CompletableFuture<U>((value == null) ? NIL : value);
}

静态工厂方法

这两个方法可以帮助我们封装计算逻辑。

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static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier);
// 使用自定义线程池(推荐)
static <U> CompletableFuture<U> supplyAsync(Supplier<U> supplier, Executor executor);
static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable);
// 使用自定义线程池(推荐)
static CompletableFuture<Void> runAsync(Runnable runnable, Executor executor);

runAsync() 方法接受的参数是 Runnable ，这是一个函数式接口，不允许返回值。当你需要异步操作且不关心返回结果的时候可以使用 runAsync() 方法。

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@FunctionalInterface
public interface Runnable {
    public abstract void run();
}

supplyAsync() 方法接受的参数是 Supplier<U> ，这也是一个函数式接口，U 是返回结果值的类型。

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@FunctionalInterface
public interface Supplier<T> {

    /**
     * Gets a result.
     *
     * @return a result
     */
    T get();
}

当你需要异步操作且关心返回结果的时候,可以使用 supplyAsync() 方法。

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CompletableFuture<Void> future = CompletableFuture.runAsync(() -> System.out.println("hello!"));
future.get();// 输出 "hello!"
CompletableFuture<String> future2 = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "hello!");
assertEquals("hello!", future2.get());

处理异步结算的结果

当我们获取到异步计算的结果之后，还可以对其进行进一步的处理，比较常用的方法有下面几个：

• thenApply()
• thenAccept()
• thenRun()
• whenComplete()

thenApply() 方法接受一个 Function 实例，用它来处理结果。

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// 沿用上一个任务的线程池
public <U> CompletableFuture<U> thenApply(
    Function<? super T,? extends U> fn) {
    return uniApplyStage(null, fn);
}

//使用默认的 ForkJoinPool 线程池（不推荐）
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(
    Function<? super T,? extends U> fn) {
    return uniApplyStage(defaultExecutor(), fn);
}
// 使用自定义线程池(推荐)
public <U> CompletableFuture<U> thenApplyAsync(
    Function<? super T,? extends U> fn, Executor executor) {
    return uniApplyStage(screenExecutor(executor), fn);
}

thenApply() 方法使用示例如下：

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CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.completedFuture("hello!")
        .thenApply(s -> s + "world!");
assertEquals("hello!world!", future.get());
// 这次调用将被忽略。
future.thenApply(s -> s + "nice!");
assertEquals("hello!world!", future.get());

你还可以进行 流式调用：

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CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.completedFuture("hello!")
        .thenApply(s -> s + "world!").thenApply(s -> s + "nice!");
assertEquals("hello!world!nice!", future.get());

如果你不需要从回调函数中获取返回结果，可以使用 thenAccept() 或者 thenRun()。这两个方法的区别在于 thenRun() 不能访问异步计算的结果。

thenAccept() 方法的参数是 Consumer<? super T> 。

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public CompletableFuture<Void> thenAccept(Consumer<? super T> action) {
    return uniAcceptStage(null, action);
}

public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action) {
    return uniAcceptStage(defaultExecutor(), action);
}

public CompletableFuture<Void> thenAcceptAsync(Consumer<? super T> action,
                                               Executor executor) {
    return uniAcceptStage(screenExecutor(executor), action);
}

顾名思义，Consumer 属于消费型接口，它可以接收 1 个输入对象然后进行“消费”。

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@FunctionalInterface
public interface Consumer<T> {

    void accept(T t);

    default Consumer<T> andThen(Consumer<? super T> after) {
        Objects.requireNonNull(after);
        return (T t) -> { accept(t); after.accept(t); };
    }
}

thenRun() 的方法是的参数是 Runnable 。

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public CompletableFuture<Void> thenRun(Runnable action) {
    return uniRunStage(null, action);
}

public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action) {
    return uniRunStage(defaultExecutor(), action);
}

public CompletableFuture<Void> thenRunAsync(Runnable action,
                                            Executor executor) {
    return uniRunStage(screenExecutor(executor), action);
}

thenAccept() 和 thenRun() 使用示例如下：

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CompletableFuture.completedFuture("hello!")
        .thenApply(s -> s + "world!").thenApply(s -> s + "nice!").thenAccept(System.out::println);//hello!world!nice!

CompletableFuture.completedFuture("hello!")
        .thenApply(s -> s + "world!").thenApply(s -> s + "nice!").thenRun(() -> System.out.println("hello!"));//hello!

whenComplete() 的方法的参数是 BiConsumer<? super T, ? super Throwable> 。

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public CompletableFuture<T> whenComplete(
    BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action) {
    return uniWhenCompleteStage(null, action);
}


public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(
    BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action) {
    return uniWhenCompleteStage(defaultExecutor(), action);
}
// 使用自定义线程池(推荐)
public CompletableFuture<T> whenCompleteAsync(
    BiConsumer<? super T, ? super Throwable> action, Executor executor) {
    return uniWhenCompleteStage(screenExecutor(executor), action);
}

相对于 Consumer ， BiConsumer 可以接收 2 个输入对象然后进行“消费”。

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@FunctionalInterface
public interface BiConsumer<T, U> {
    void accept(T t, U u);

    default BiConsumer<T, U> andThen(BiConsumer<? super T, ? super U> after) {
        Objects.requireNonNull(after);

        return (l, r) -> {
            accept(l, r);
            after.accept(l, r);
        };
    }
}

whenComplete() 使用示例如下：

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CompletableFuture<String> future = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "hello!")
        .whenComplete((res, ex) -> {
            // res 代表返回的结果
            // ex 的类型为 Throwable ，代表抛出的异常
            System.out.println(res);
            // 这里没有抛出异常所有为 null
            assertNull(ex);
        });
assertEquals("hello!", future.get());

异常处理

你可以通过 handle() 方法来处理任务执行过程中可能出现的抛出异常的情况。

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public <U> CompletableFuture<U> handle(
    BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn) {
    return uniHandleStage(null, fn);
}

public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(
    BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn) {
    return uniHandleStage(defaultExecutor(), fn);
}

public <U> CompletableFuture<U> handleAsync(
    BiFunction<? super T, Throwable, ? extends U> fn, Executor executor) {
    return uniHandleStage(screenExecutor(executor), fn);
}

示例代码如下：

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CompletableFuture<String> future
        = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (true) {
        throw new RuntimeException("Computation error!");
    }
    return "hello!";
}).handle((res, ex) -> {
    // res 代表返回的结果
    // ex 的类型为 Throwable ，代表抛出的异常
    return res != null ? res : "world!";
});
assertEquals("world!", future.get());

你还可以通过 exceptionally() 方法来处理异常情况。

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CompletableFuture<String> future
        = CompletableFuture.supplyAsync(() -> {
    if (true) {
        throw new RuntimeException("Computation error!");
    }
    return "hello!";
}).exceptionally(ex -> {
    System.out.println(ex.toString());// CompletionException
    return "world!";
});
assertEquals("world!", future.get());

如果你想让 CompletableFuture 的结果就是异常的话，可以使用 completeExceptionally() 方法为其赋值。

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CompletableFuture<String> completableFuture = new CompletableFuture<>();
// ...
completableFuture.completeExceptionally(
  new RuntimeException("Calculation failed!"));
// ...
completableFuture.get(); // ExecutionException

组合 CompletableFuture

你可以使用 thenCompose() 按顺序链接两个 CompletableFuture 对象，实现异步的任务链。它的作用是将前一个任务的返回结果作为下一个任务的输入参数，从而形成一个依赖关系。

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public <U> CompletableFuture<U> thenCompose(
    Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn) {
    return uniComposeStage(null, fn);
}

public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(
    Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn) {
    return uniComposeStage(defaultExecutor(), fn);
}

public <U> CompletableFuture<U> thenComposeAsync(
    Function<? super T, ? extends CompletionStage<U>> fn,
    Executor executor) {
    return uniComposeStage(screenExecutor(executor), fn);
}

thenCompose() 方法会使用示例如下：

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CompletableFuture<String> future
        = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "hello!")
        .thenCompose(s -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> s + "world!"));
assertEquals("hello!world!", future.get());

在实际开发中，这个方法还是非常有用的。比如说，task1 和 task2 都是异步执行的，但 task1 必须执行完成后才能开始执行 task2（task2 依赖 task1 的执行结果）。

和 thenCompose() 方法类似的还有 thenCombine() 方法， 它同样可以组合两个 CompletableFuture 对象。

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CompletableFuture<String> completableFuture
        = CompletableFuture.supplyAsync(() -> "hello!")
        .thenCombine(CompletableFuture.supplyAsync(
                () -> "world!"), (s1, s2) -> s1 + s2)
        .thenCompose(s -> CompletableFuture.supplyAsync(() -> s + "nice!"));
assertEquals("hello!world!nice!", completableFuture.get());

那 thenCompose() 和 thenCombine() 有什么区别呢？

• thenCompose() 可以链接两个 CompletableFuture 对象，并将前一个任务的返回结果作为下一个任务的参数，它们之间存在着先后顺序。
• thenCombine() 会在两个任务都执行完成后，把两个任务的结果合并。两个任务是并行执行的，它们之间并没有先后依赖顺序。

除了 thenCompose() 和 thenCombine() 之外， 还有一些其他的组合 CompletableFuture 的方法用于实现不同的效果，满足不同的业务需求。

例如，如果我们想要实现 task1 和 task2 中的任意一个任务执行完后就执行 task3 的话，可以使用 acceptEither()。

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public CompletableFuture<Void> acceptEither(
    CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action) {
    return orAcceptStage(null, other, action);
}

public CompletableFuture<Void> acceptEitherAsync(
    CompletionStage<? extends T> other, Consumer<? super T> action) {
    return orAcceptStage(asyncPool, other, action);
}

简单举一个例子：

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