JEP解讀與嘗鮮系列4 – Java 16 中對於 Project Valhalla 的鋪墊

這是 JEP 解讀與嘗鮮系列的第 4 篇，之前的文章如下：

在系列之前的第一篇文章 – JEP 解讀與嘗鮮系列 1 – Java Valhalla 與 Java Inline class 中，我介紹了 Project Valhalla 項目中的核心 Java Inline Class，總結起來其實就是 Java 中的值類型。Java 中目前只有類對象，沒有值類型的對象。普通的類對象有對象頭，因此這種對象可以用來做同步鎖，可以使用它的 wait() notify() 等方法實現阻塞同步，同時這些對象需要在堆上面分配，通過 JVM GC 進行記憶體回收。並且這種對象的數組，只有數組本身是記憶體連續的，上面引用的對象並不是：

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Project Valhalla 提出並設計實現了 Java 的值類型，去掉了對象頭，只存儲它其中的值。這樣減少了這種對象佔用的空間，但是也讓這種對象無法使用對象的 sychronization 同步，同時也失去了 對於wait() notify()這些方法的支援。同時這種對象期望是可以直接在棧上直接分配的，不用像普通對象一樣需要在堆上分配，和原始類型例如 int 一樣。同時這種對象的數組，期望在記憶體中數組的每個對象記憶體都是連續的：

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這樣也節省了指針的存儲空間。

但是這些目前還是在設計實現中，並不是最終的實現模型，但是可以看出其中的趨勢。

為了能使 Project Valhalla 最終落地實現，我們先要對 JDK 的一些元素做兼容。

JDK 中的哪些類和值類型相關

首先，最先想到的就是 Java 的原始類型對應的封裝類型，例如 java.lang.Integer。原始類型是可以也是需要改造成 Java 值類型的，但是需要避免項目中使用了 Integer 對象的 wait() notify(), notifyAll() 方法，或者將這個作為 synchronization 的對象。

然後想到的就是原子類，例如 java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger。其實在 Java 9 之後的 JMM 模型中實現了更細粒度的訪問控制，例如：

private int locked = 0;
private static final VarHandle LOCKED;
//操作 locked 的句柄
static {
	try {
		//初始化句柄
		LOCKED = MethodHandles.lookup().findVarHandle(當前類.class, "locked", int.class);
	} catch (Exception e) {
		throw new Error(e);
	}
}

//原子操作
LOCKED.compareAndSet(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSet(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSetAcquire(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSetPlain(this, 1, 0);
LOCKED.weakCompareAndSetRelease(this, 1, 0);

然後還有在 Java 11 的官方文檔中提出的 Value-based Classes，參考：Java
11 Value-based Classes，Java 11 中的定義是：像是 java.util.Optional 和 java.time.LocalDateTime 這種類就是 Value-based Classes，這種類的實例：

  • 本身是不可變的，雖然內部的值引用指向的是一個可變對象
  • 實現了 equals，hashCode 和 toString 方法，並且基於它包含的值實現，而不是基於他的 identity （例如對象基址）並且也不是基於其他對象的狀態。
  • 不會使用 identity-sensitive 的操作，例如通過 == 對比兩個實例的相等，使用默認的基於對象基址的 hashcode 實現（例如調用 System.identityHashCode(對象)），以及作為 synchronization 的對象
  • 只通過 equals 對比對象相等，而不是 ==
  • 沒有可訪問的構造函數，而是通過工廠方法實例化，這些方法對返回的實例的 identity 不做任何保證，即這個返回對象的地址我們無法通過對於工廠方法的傳參確定;
  • equals 相等的兩個對象，需要有完全相同的行為

這種 Value-based Classes 其實就與 Java 值類型的特徵非常一致。於是，從 Java 16 開始，將 Value-based Classes 的定義進行了擴展，並且對它們的使用進行了報警限制，提示未來這些類型，不再使用普通類實現，而是使用 Project Valhalla 的 Java 值類型實現。

JEP 390: Warnings for Value-Based Classes

在 Java 16 中，為了給 Project Valhalla 的這一特性進行鋪路，引入了一個 JEP：JEP 390: Warnings for Value-Based Classes

在最新的 Value-based Classes 的定義中（參考：//docs.oracle.com/en/java/javase/17/docs/api/java.base/java/lang/doc-files/ValueBased.html ），將原始類型的封裝類，例如 java.lang.Integer 也納入了這一類的定義範疇。並在此基礎上，增加兩個說明：

1.非常不建議使用這一類的對象作為同步參數，例如 synchronize(obj)，無法保證這個鎖擁有者是誰以及是否是獨佔的。

這個問題倒不是因為以後要換值類型無法同步導致的，而是容易犯這種編程失誤：

Integer i = 1;

for (int j = 0; j < 10; j++) {
    synchronized(i) {
        i++; //下次循環就變成另一個對象了，沒有真正按照預期鎖住
    }
}

2.使用 identity 相關的操作可能未來會發生變化，所以不建議使用，例如：

  • 調用 System.identityHashCode(對象) 獲取基於對象在堆記憶體地址實現的哈希碼，如果 Value-based Classes 變成值類型，值類型確定在棧上分配後，這個方法目前的機制就會有問題。
  • 調用 synchronize(obj) 同步對象，如果 Value-based Classes 變成值類型，沒有普通對象的對象頭，那麼無法使用正常的鎖膨脹同步機制，同時重量鎖 mutex 由於可能值類型對象沒有堆上位置也無法使用現有的機制實現。
  • 調用對象的 wait()，notify()，notifyAll()，由於上一條同樣的影響，這些方法調用可能在未來版本帶來異常。

在 Java 16 之後，如果有這些用法，就會在編譯階段有報警提醒：

Integer integer = 1;
synchronized (integer) {
    
}

編譯階段會提示 Attempt to synchronize on an instance of a value-based class ，如果想關閉可以增加編譯參數 -Xlint:synchronization

如果想在運行階段針對這種使用有提示或者錯誤，可以通過添加如下啟動參數實現：

  • -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:DiagnoseSyncOnValueBasedClasses=1：加上這個，程式遇到這種使用，會拋出 FATAL ERROR，同時退出 JVM
  • -XX:+UnlockDiagnosticVMOptions -XX:DiagnoseSyncOnValueBasedClasses=2：加上這個，程式遇到這種使用，會有日誌提示：
[0.152s][info][valuebasedclasses] Synchronizing on object 0x000000069aed7788 of klass java.lang.Integer
[0.152s][info][valuebasedclasses] 	at com.github.hashjang.shenandoah.Main.main(Main.java:8)
[0.152s][info][valuebasedclasses] 	- locked <0x000000069aed7788> (a java.lang.Integer)

同樣的，由於原始類型包裝類已經屬於 Value-based Class，所以就不應該使用它的構造器而是使用 valueOf() 代替了，為了給大家修改的時間，目前僅僅是將構造器標記為 Deprecate for Removal ：

@Deprecated(since="9", forRemoval = true)
public Integer(int value) {
    this.value = value;
}

如果有使用會提示 'Integer(int)' is deprecated and marked for removal。

目前 JDK 中的未來可能會用值類型代替的 Value-based Classes

目前 JDK 中的 Value-based Classes 都帶有 jdk.internal.ValueBased 註解，或者他們的實現介面，父類帶有這個註解，包括：

  • java.lang 包：
    • 原始類型的封裝類，例如 java.lang.Integer
    • java.lang.Runtime.Version 類
    • 作業系統進程的句柄 java.lang.ProcessHandle 和他的實現類 java.lang.ProcessHandleImpl
  • java.time 包下的一些時間封裝類
  • java.util 包：
    • Optional 相關，例如：java.util.Optional, java.util.OptionalInt, java.util.OptionalLong, java.util.OptionalDouble
    • 所有不可變集合以及底層實現的不可變元素，例如：Set.of 的返回 java.util.ImmutableCollections.AbstractImmutableSet

一點趣事兒

Java 16 的 Record 還讓我鬧了個笑話，我以為這個是 Project Valhala 的 Inline Object 已經實現了，還去 StackOverflow 問，這個 Record 為啥能有 wait() 方法，並且可以進行 synchronized 同步（因為如果是 Project Valhala 的 Inline Object 的話是沒有普通類的對象頭的，沒法用普通類對象的方法實現同步），結果。。。。。最後還是 Goetz 大佬一眼就看出我是誤會了：

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