Java 9的发布的新特性除了最主要的模块化之外，在API方面也为开发者们带来了很多有用的特性，本篇我们来探讨一下java 9提供的新的API-VarHandle 对 memory order 的支持，及其在JUC同步类中的应用。在开始本篇之前，你需要对JMM（Java 内存模型）有一定的认知。

VarHandle 的必要性

随着Java中的并发和并行编程的不断扩大，我们经常会需要对某个类的字段进行原子或有序操作，但是 JVM 对Java开发者所开放的权限非常有限。例如：如果要原子性地增加某个字段的值，到目前为止我们可以使用下面三种方式：

使用AtomicInteger来达到这种效果，这种间接管理方式增加了空间开销，还会导致额外的并发问题；
使用原子性的FieldUpdaters，由于利用了反射机制，操作开销也会更大；
使用sun.misc.Unsafe提供的JVM内置函数API，虽然这种方式比较快，但它会损害安全性和可移植性，当然在实际开发中也很少会这么做。

在 VarHandle 出现之前，这些潜在的问题会随着原子API的不断扩大而越来越遭。VarHandle 的出现替代了java.util.concurrent.atomic和sun.misc.Unsafe的部分操作。并且提供了一系列标准的内存屏障操作，用于更加细粒度的控制内存排序。在安全性、可用性、性能上都要优于现有的API。VarHandle 可以与任何字段、数组元素或静态变量关联，支持在不同访问模型下对这些类型变量的访问，包括简单的 read/write 访问，volatile 类型的 read/write 访问，和 CAS(compare-and-swap)等。

创建VarHandle

VarHandle通过MethodHandles的lookup()方法创建，下面演示了非静态变量和数组的获取方式：

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的内部类，位于java.lang.invoke包中，它是一个用于创建方法和变量句柄的工厂。与我们熟知的核心反射API不同的是，核心反射API在每一次方法被调用时都会进行访问检查，而通过Lookup创建的方法句柄的访问检查是在它被创建时进行的。通过Lookup提供的工厂方法，我们可以访问对象的任何方法、构造函数和参数变量。由工厂方法创建的每个方法句柄都等同于方法的字节码行为（bytecode behavior），也就是说，JVM调用方法句柄与执行和方法句柄相关的字节码行为一致。（有关Lookup的更详细介绍，请参阅官方API-MethodHandles.Lookup）

Lookup在Java 9中对变量访问也添加了相应的工厂方法，用于生成变量句柄-VarHandle：

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。

获取VarHandle后，接下来就是对变量的访问，下面列举了几种简单的访问形式：

//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中的每个方法都被称为 access mode method，接收的参数都是一个协调表达式，该表达式精确地指示了要访问变量的对象，后续的调用参数表示当前访问模式的值。例如，CAS方法需要两个后续参数：预期值和新值。
需要注意的是，access mode将覆盖在变量声明时指定的任何内存排序效果。例如，一个VarHandle使用 get 模式访问一个字段时，即使这个字段已经被声明为volatile，也会把这个字段当做方法指定的访问模式进行访问。因此使用时要非常小心。

内存屏障

VarHandle除了支持在各种访问模式下访问变量之外，还提供了一组内存屏障方法，为内存排序提供更细粒度的控制。主要有以下几个方法：

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();
}

本质上来看，这些内存屏障都是通过Unsafe类的fullFence、loadFence和storeFence来实现，关于Unsafe，大家可以参考我的另外一篇文章：JUC源码分析—CAS和Unsafe。

VarHandle的应用

自VarHandle出世后，JUC中多数同步类中都使用VarHandle替代了Unsafe，这里我们拿AQS举例说明，直接看代码：

// 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中对变量state, head, tail的访问都改为了VarHandle方式。例如，如果要用CAS方式修改head节点，只需要调用VarHandle的compareAndSet即可（HEAD.compareAndSet(this, null, new Node())）。

目前，在java.util.concurrent包中对变量的访问基本上都由Unsafe改为了VarHandle，有关VarHandle的更多详细使用方式，请参考JUC源码。

Java 9 变量句柄-VarHandle