Var handles jjug_ccc_spring_2018

VarHandles
David Buck
日本オラクル株式会社

• JVM Sustaining Engineer
• OpenJDK 8 Update Project
Maintainer
• JavaOne Rock Star
• Co-author of Oracle WebLogic
Server 11g 構築・運用ガイド
• @DavidBuckJP
• https://blogs.oracle.com/buc
k/
Who am I? バックデイビッド（左）

今日触れる内容
• Java のメモリモデル
• MethodHandle
• sun.misc.Unsafe
• VarHandle
• ゴキブリホイホイ

Project Valhalla
Emil Doepler - Doepler, Emil. ca. 1905. Walhall, die Götterwelt der Germanen. Martin Oldenbourg, Berlin. Photographed by Haukurth cropped by Bloodofox, Public Domain

Project Loom
織機
By en:Yanagawa Shigenobu - This image is available from the United States Library of Congress's Prints and Photographs division under the digital ID jpd.00091. パブリック・ドメイン, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3505580

Project Panama
パナマ運河
By US DOT - https://www.transportation.gov/fastlane/expanded-canal-means-an-expanded-economy, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=54989250

Project Valhalla
Valhalla == VALue types

Project Valhalla
• Value Types （値型）
• Generic Specialization （ジェネリックの特殊化）
• VarHandles (JDK 9 でリリースされた）

余談その１（マイコン）
By Cbmeeks / processed by Pixel8 - Original uploader was Cbmeeks at en.wikipedia, CC 表示-継承 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=3672924

昔の BASIC 言語の魔法のキーワード
• ＰＥＥＫ
• 任意のメモリアドレスの値を取得する
• ＰＯＫＥ
• 任意のメモリアドレスに任意の値を格納する

Var handles jjug_ccc_spring_2018

sun.misc.Unsafe
• JVM の内部機能を直接に呼び出す内部のインタフェース
• Java SE ライブラリを実現するためのもの
• Sun (Oracle) 以外の利用は想定外
• いろいろな機能
• 初期化せずに Heap メモリを取得
• PEEK / POKE
• Java MM より細かいメモリ操作

sun.misc.Unsafe
• Reflection
• Serialization
• NIO
• java.util.concurrent
• 暗号化・複合化
• BigDecimal / BigInteger
• Java2D
• CPU の使用率 (JMX)
内部利用

private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
public static Unsafe getUnsafe() {
Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
if (cc.getClassLoader() != null)
throw new SecurityException("Unsafe");
return theUnsafe;
}

Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) f.get(null);

sun.misc.Unsafe
By Jared Tarbell - Flickr: sky puzzle, CC BY 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=31953973
JDK 9 – Project Jigsaw

sun.misc.Unsafe
• メモリ管理
• メモリレイアウト
• メモリアクセス
• Valhalla
• Panama
• Arrays 2.0

sun.misc.Unsafe
JVM / ネイティブを跨る処理 • Panama
• Foreign Function Interface

sun.misc.Unsafe
細かいメモリモデル Variable Handles

JEP 193: Variable Handles
• C11/C++11 のメモリモデルに合わせる
• j.u.c の atomic のような変数の変更も出来る
• sun.misc.Unsafe のメモリアクセスの API をリプレース

C++ メモリモデル
• C++11 で導入された
• Atomic メモリアクセス (std::atomic)
• Happens-before (std::memory_order)
typedef enum memory_order {
memory_order_relaxed,
memory_order_consume,
memory_order_acquire,
memory_order_release,
memory_order_acq_rel,
memory_order_seq_cst
} memory_order;

C++ メモリモデル
• 従来の Java のメモリモデルより細かい
• データの単位ではなく
• アクセスの単位で決める
• 他の言語などで導入されれている傾向がある

class Counter {
private int c = 0;
public void increment() { c++; }
public void decrement() { c--; }
public int value() { return c; }
}

volatile int c = 0;
void increment() {
c++;
}

volatile int c = 0;
void increment() {
c++;
}
reg = [id]
reg++
[id] = reg

スレッド１
reg = [id] // reg==3
reg++ // reg==4
[id] = reg // id==4
スレッド２
reg = [id] // reg==3
reg++ // reg==4
[id] = reg // id==4

class SynchronizedCounter {
private int c = 0;
public synchronized void increment() { c++; }
public synchronized void decrement() { c--; }
public synchronized int value() { return c; }
}

余談その２ゴキブリホイホイ
obj.a = 1;
obj.b = 2;
synchronized(this) {
obj.c = 3;
obj.d = 4;
}
obj.e = 5;
obj.f = 6;

余談その２ゴキブリホイホイ
obj.a = 1;
obj.b = 2;
obj.c = 3;
obj.d = 4;
}
obj.e = 5;
obj.f = 6;
obj.a = 1;
obj.b = 2;
obj.c = 3;
obj.d = 4;
obj.e= 5;
}
obj.f=6;

import java.util.concurrent.atomic.AtomicInteger;
class AtomicCounter {
private AtomicInteger c = new AtomicInteger(0);
public void increment() { c.incrementAndGet(); }
public void decrement() { c.decrementAndGet(); }
public int value() { return c.get(); }
}

Field データ
Class ポインター
ロック情報 hashcode ・その他

Counter
c

AtomicCounter
c
value
AtomicCounter AtomicInteger

class BadCounter {
private int c = 0;
public void increment() {
unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}
public void decrement() {
unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}
public int value() { return c; }
}

static {
// get unsafe
try {
valueOffset = unsafe.objectFieldOffset
(BadCounter.class.getDeclaredField(“c"));
} catch (Exception ex) { throw new Error(ex); }
}

VarHandle を理解するには

VarHandle を理解するには
MethodHandle の知識は不可欠！

Da Vinci Machine Project
• Java 以外の言語を使っても、JVM はいい仮想マシン
• パフォーマンスがいい
• ポータビリティー（移植性）
• セキュリティ（バイトコード）
• 既存のフレームワークやライブラリ
By Web Gallery of Art: Image Info about artwork, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=15497207

Java Code
言語ランタイムとは
57
JVM
OS
Java
Class
Library
JRuby Runtime
JVM
OS
Java
Class
Library
Ruby Code

MethodHandle
58
int foo()Method Handle

59
private void doStuff();
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
10: invokedynamic #9, 0
15: invokevirtual #10
18: return

60
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
18: return
BootStrap Method

61
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
18: return
BootStrap Method
int foo()

62
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
18: return
BootStrap Method
int foo()
CS

63
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
18: return
int foo()
CS

64
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
18: return
int foo()
CS int bar()

65
descriptor: ()V
flags: ACC_PRIVATE
Code:
stack=2, locals=2,
args_size=1
0: new #7
3: dup
4: invokespecial #8
7: astore_1
8: aload_1
9: aload_0
18: return
int foo()
CS int bar()Method Handle

MethodHandle
• 関数ポインター

MethodHandle
• 関数ポインター
• Reflection API の代わりに利用出来る場合がある
• Field のアクセス（読み込み・書き込み）
• その他
• 例外を投げる
• 定数を返す
• など

MethodHandle の魅力
• 生成時のアクセスチェック
• setuid のような動き
• シグネチャ・ポリモーフィズム

シグネチャ・ポリモーフィズム
• すべてオブジェクトで渡す必要はない
• JVM と javac によって特別な扱い
• MethodHandle
• VarHandle

public class Receiver {
private volatile String vfield;
private static final MethodHandle
MH_GETTER_V_FIELD;
private static final MethodHandle
MH_SETTER_V_FIELD;

static { try {
MH_GETTER_V_FIELD =
MethodHandles.lookup().findGetter(Receiver.class,
"vfield", String.class);
MH_SETTER_V_FIELD =
MethodHandles.lookup().findSetter(Receiver.class,
"vfield", String.class);
} catch (Exception e) {
throw new Error(e);
}
}
}

public void setValue(String s) {
try {
MH_SETTER_V_FIELD.invokeExact(this, s);
} catch (Throwable t) {
throw new RuntimeException(t);
}
}

public String getValue() {
try {
return (String)
MH_GETTER_V_FIELD.invokeExact(this);
} catch (Throwable t) {
throw new RuntimeException(t);
}
}
} // class Receiver

public void setValue(java.lang.String);
descriptor: (Ljava/lang/String;)V
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=3, args_size=2
0: getstatic #2 // Field
MH_SETTER_V_FIELD:Ljava/lang/invoke/MethodHandle;
3: aload_0
4: aload_1
5: invokevirtual #3 // Method
java/lang/invoke/MethodHandle.invokeExact:(LReceiver;Ljava/lang/String;)V
8: goto 21
11: astore_2
12: new #5 // class java/lang/RuntimeException
15: dup
16: aload_2
17: invokespecial #6 // Method
java/lang/RuntimeException."<init>":(Ljava/lang/Throwable;)V
20: athrow
21: return

public java.lang.String getValue();
descriptor: ()Ljava/lang/String;
flags: ACC_PUBLIC
Code:
stack=3, locals=2, args_size=1
0: getstatic #7 // Field
MH_GETTER_V_FIELD:Ljava/lang/invoke/MethodHandle;
3: aload_0
4: invokevirtual #8 // Method
java/lang/invoke/MethodHandle.invokeExact:(LReceiver;)Ljava/lang/String;
7: areturn
8: astore_1
9: new #5 // class java/lang/RuntimeException
12: dup
13: aload_1
14: invokespecial #6 // Method
java/lang/RuntimeException."<init>":(Ljava/lang/Throwable;)V
17: athrow

class VHCounter {
private int c = 0;
public void increment() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current + 1;
if (VH.compareAndSet(this, current, next))
return;
}
}

public void decrement() {
for (;;) {
int current = get();
int next = current - 1;
if (VH.compareAndSet(this, current, next))
return;
}
}

public int get() {
return (int)VH.get(this);
}

static {
try {
MethodHandles.Lookup l = MethodHandles.lookup();
VALUE = l.findVarHandle(VHCounter.class, “c",
Object.class);
} catch (ReflectiveOperationException e) {
throw new ExceptionInInitializerError(e);
}
}
} // VHCounter class

int data = 0;
boolean ready = false;
void hoge3() {
while (!ready) {};
assert data == 42;
}
void hoge4() {
data = 42;
ready = true;
}

JSR-133 の volatile
void hoge4() {
data = 42;
ready = true;
}
void hoge3() {
while (!ready) {};
assert data ==
42;
}
volatile boolean ready = false;

VarHandle や Unsafe だと
• 必要な時だけ volatile としてアクセスすることが出来る

要は
• VarHandle は普段利用されない（Unsafe のように）
• MethodHandle はかなり役に立つ
• sun.misc.Unsafe などの内部ＡＰＩが利用出来なくなる

参考
OpenJDK Project Page
http://openjdk.java.net/projects/valhalla/
JEP 193: Variable Handles
http://openjdk.java.net/jeps/193
VarHandle API
https://docs.oracle.com/javase/10/docs/api/index.html?java/lang/invoke/VarHan
dle.html
JVM Language Summit
http://openjdk.java.net/projects/mlvm/jvmlangsummit/

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