1 /*
2  * DO NOT ALTER OR REMOVE COPYRIGHT NOTICES OR THIS FILE HEADER.
3  *
4  * This code is free software; you can redistribute it and/or modify it
5  * under the terms of the GNU General Public License version 2 only, as
6  * published by the Free Software Foundation.  Oracle designates this
7  * particular file as subject to the "Classpath" exception as provided
8  * by Oracle in the LICENSE file that accompanied this code.
9  *
10  * This code is distributed in the hope that it will be useful, but WITHOUT
11  * ANY WARRANTY; without even the implied warranty of MERCHANTABILITY or
12  * FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE.  See the GNU General Public License
13  * version 2 for more details (a copy is included in the LICENSE file that
14  * accompanied this code).
15  *
16  * You should have received a copy of the GNU General Public License version
17  * 2 along with this work; if not, write to the Free Software Foundation,
18  * Inc., 51 Franklin St, Fifth Floor, Boston, MA 02110-1301 USA.
19  *
20  * Please contact Oracle, 500 Oracle Parkway, Redwood Shores, CA 94065 USA
21  * or visit www.oracle.com if you need additional information or have any
22  * questions.
23  */

24
25 /*
26  * This file is available under and governed by the GNU General Public
27  * License version 2 only, as published by the Free Software Foundation.
28  * However, the following notice accompanied the original version of this
29  * file:
30  *
31  * Written by Doug Lea with assistance from members of JCP JSR-166
32  * Expert Group and released to the public domain, as explained at
33  * http://creativecommons.org/publicdomain/zero/1.0/
34  */

35
36 package java.util.concurrent.atomic;
37
38 import java.lang.reflect.Field;
39 import java.lang.reflect.Modifier;
40 import java.security.AccessController;
41 import java.security.PrivilegedActionException;
42 import java.security.PrivilegedExceptionAction;
43 import java.util.Objects;
44 import java.util.function.BinaryOperator;
45 import java.util.function.UnaryOperator;
46 import jdk.internal.misc.Unsafe;
47 import jdk.internal.reflect.CallerSensitive;
48 import jdk.internal.reflect.Reflection;
49 import java.lang.invoke.VarHandle;
50
51 /**
52  * A reflection-based utility that enables atomic updates to
53  * designated {@code volatile} reference fields of designated
54  * classes.  This class is designed for use in atomic data structures
55  * in which several reference fields of the same node are
56  * independently subject to atomic updates. For example, a tree node
57  * might be declared as
58  *
59  * <pre> {@code
60  * class Node {
61  *   private volatile Node left, right;
62  *
63  *   private static final AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Node> leftUpdater =
64  *     AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Node.class, Node.class"left");
65  *   private static AtomicReferenceFieldUpdater<Node, Node> rightUpdater =
66  *     AtomicReferenceFieldUpdater.newUpdater(Node.class, Node.class"right");
67  *
68  *   Node getLeft() { return left; }
69  *   boolean compareAndSetLeft(Node expect, Node update) {
70  *     return leftUpdater.compareAndSet(this, expect, update);
71  *   }
72  *   // ... and so on
73  * }}</pre>
74  *
75  * <p>Note that the guarantees of the {@code compareAndSet}
76  * method in this class are weaker than in other atomic classes.
77  * Because this class cannot ensure that all uses of the field
78  * are appropriate for purposes of atomic access, it can
79  * guarantee atomicity only with respect to other invocations of
80  * {@code compareAndSet} and {@code set} on the same updater.
81  *
82  * <p>Object arguments for parameters of type {@code T} that are not
83  * instances of the class passed to {@link #newUpdater} will result in
84  * a {@link ClassCastException} being thrown.
85  *
86  * @since 1.5
87  * @author Doug Lea
88  * @param <T> The type of the object holding the updatable field
89  * @param <V> The type of the field
90  */

91 public abstract class AtomicReferenceFieldUpdater<T,V> {
92
93     /**
94      * Creates and returns an updater for objects with the given field.
95      * The Class arguments are needed to check that reflective types and
96      * generic types match.
97      *
98      * @param tclass the class of the objects holding the field
99      * @param vclass the class of the field
100      * @param fieldName the name of the field to be updated
101      * @param <U> the type of instances of tclass
102      * @param <W> the type of instances of vclass
103      * @return the updater
104      * @throws ClassCastException if the field is of the wrong type
105      * @throws IllegalArgumentException if the field is not volatile
106      * @throws RuntimeException with a nested reflection-based
107      * exception if the class does not hold field or is the wrong type,
108      * or the field is inaccessible to the caller according to Java language
109      * access control
110      */

111     @CallerSensitive
112     public static <U,W> AtomicReferenceFieldUpdater<U,W> newUpdater(Class<U> tclass,
113                                                                     Class<W> vclass,
114                                                                     String fieldName) {
115         return new AtomicReferenceFieldUpdaterImpl<U,W>
116             (tclass, vclass, fieldName, Reflection.getCallerClass());
117     }
118
119     /**
120      * Protected do-nothing constructor for use by subclasses.
121      */

122     protected AtomicReferenceFieldUpdater() {
123     }
124
125     /**
126      * Atomically sets the field of the given object managed by this updater
127      * to the given updated value if the current value {@code ==} the
128      * expected value. This method is guaranteed to be atomic with respect to
129      * other calls to {@code compareAndSet} and {@code set}, but not
130      * necessarily with respect to other changes in the field.
131      *
132      * @param obj An object whose field to conditionally set
133      * @param expect the expected value
134      * @param update the new value
135      * @return {@code trueif successful
136      */

137     public abstract boolean compareAndSet(T obj, V expect, V update);
138
139     /**
140      * Atomically sets the field of the given object managed by this updater
141      * to the given updated value if the current value {@code ==} the
142      * expected value. This method is guaranteed to be atomic with respect to
143      * other calls to {@code compareAndSet} and {@code set}, but not
144      * necessarily with respect to other changes in the field.
145      *
146      * <p><a href="package-summary.html#weakCompareAndSet">May fail
147      * spuriously and does not provide ordering guarantees</a>, so is
148      * only rarely an appropriate alternative to {@code compareAndSet}.
149      *
150      * @param obj An object whose field to conditionally set
151      * @param expect the expected value
152      * @param update the new value
153      * @return {@code trueif successful
154      */

155     public abstract boolean weakCompareAndSet(T obj, V expect, V update);
156
157     /**
158      * Sets the field of the given object managed by this updater to the
159      * given updated value. This operation is guaranteed to act as a volatile
160      * store with respect to subsequent invocations of {@code compareAndSet}.
161      *
162      * @param obj An object whose field to set
163      * @param newValue the new value
164      */

165     public abstract void set(T obj, V newValue);
166
167     /**
168      * Eventually sets the field of the given object managed by this
169      * updater to the given updated value.
170      *
171      * @param obj An object whose field to set
172      * @param newValue the new value
173      * @since 1.6
174      */

175     public abstract void lazySet(T obj, V newValue);
176
177     /**
178      * Returns the current value held in the field of the given object
179      * managed by this updater.
180      *
181      * @param obj An object whose field to get
182      * @return the current value
183      */

184     public abstract V get(T obj);
185
186     /**
187      * Atomically sets the field of the given object managed by this updater
188      * to the given value and returns the old value.
189      *
190      * @param obj An object whose field to get and set
191      * @param newValue the new value
192      * @return the previous value
193      */

194     public V getAndSet(T obj, V newValue) {
195         V prev;
196         do {
197             prev = get(obj);
198         } while (!compareAndSet(obj, prev, newValue));
199         return prev;
200     }
201
202     /**
203      * Atomically updates (with memory effects as specified by {@link
204      * VarHandle#compareAndSet}) the field of the given object managed
205      * by this updater with the results of applying the given
206      * function, returning the previous value. The function should be
207      * side-effect-free, since it may be re-applied when attempted
208      * updates fail due to contention among threads.
209      *
210      * @param obj An object whose field to get and set
211      * @param updateFunction a side-effect-free function
212      * @return the previous value
213      * @since 1.8
214      */

215     public final V getAndUpdate(T obj, UnaryOperator<V> updateFunction) {
216         V prev, next;
217         do {
218             prev = get(obj);
219             next = updateFunction.apply(prev);
220         } while (!compareAndSet(obj, prev, next));
221         return prev;
222     }
223
224     /**
225      * Atomically updates (with memory effects as specified by {@link
226      * VarHandle#compareAndSet}) the field of the given object managed
227      * by this updater with the results of applying the given
228      * function, returning the updated value. The function should be
229      * side-effect-free, since it may be re-applied when attempted
230      * updates fail due to contention among threads.
231      *
232      * @param obj An object whose field to get and set
233      * @param updateFunction a side-effect-free function
234      * @return the updated value
235      * @since 1.8
236      */

237     public final V updateAndGet(T obj, UnaryOperator<V> updateFunction) {
238         V prev, next;
239         do {
240             prev = get(obj);
241             next = updateFunction.apply(prev);
242         } while (!compareAndSet(obj, prev, next));
243         return next;
244     }
245
246     /**
247      * Atomically updates (with memory effects as specified by {@link
248      * VarHandle#compareAndSet}) the field of the given object managed
249      * by this updater with the results of applying the given function
250      * to the current and given values, returning the previous value.
251      * The function should be side-effect-free, since it may be
252      * re-applied when attempted updates fail due to contention among
253      * threads.  The function is applied with the current value as its
254      * first argument, and the given update as the second argument.
255      *
256      * @param obj An object whose field to get and set
257      * @param x the update value
258      * @param accumulatorFunction a side-effect-free function of two arguments
259      * @return the previous value
260      * @since 1.8
261      */

262     public final V getAndAccumulate(T obj, V x,
263                                     BinaryOperator<V> accumulatorFunction) {
264         V prev, next;
265         do {
266             prev = get(obj);
267             next = accumulatorFunction.apply(prev, x);
268         } while (!compareAndSet(obj, prev, next));
269         return prev;
270     }
271
272     /**
273      * Atomically updates (with memory effects as specified by {@link
274      * VarHandle#compareAndSet}) the field of the given object managed
275      * by this updater with the results of applying the given function
276      * to the current and given values, returning the updated value.
277      * The function should be side-effect-free, since it may be
278      * re-applied when attempted updates fail due to contention among
279      * threads.  The function is applied with the current value as its
280      * first argument, and the given update as the second argument.
281      *
282      * @param obj An object whose field to get and set
283      * @param x the update value
284      * @param accumulatorFunction a side-effect-free function of two arguments
285      * @return the updated value
286      * @since 1.8
287      */

288     public final V accumulateAndGet(T obj, V x,
289                                     BinaryOperator<V> accumulatorFunction) {
290         V prev, next;
291         do {
292             prev = get(obj);
293             next = accumulatorFunction.apply(prev, x);
294         } while (!compareAndSet(obj, prev, next));
295         return next;
296     }
297
298     private static final class AtomicReferenceFieldUpdaterImpl<T,V>
299         extends AtomicReferenceFieldUpdater<T,V> {
300         private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
301         private final long offset;
302         /**
303          * if field is protected, the subclass constructing updater, else
304          * the same as tclass
305          */

306         private final Class<?> cclass;
307         /** class holding the field */
308         private final Class<T> tclass;
309         /** field value type */
310         private final Class<V> vclass;
311
312         /*
313          * Internal type checks within all update methods contain
314          * internal inlined optimizations checking for the common
315          * cases where the class is final (in which case a simple
316          * getClass comparison suffices) or is of type Object (in
317          * which case no check is needed because all objects are
318          * instances of Object). The Object case is handled simply by
319          * setting vclass to null in constructor.  The targetCheck and
320          * updateCheck methods are invoked when these faster
321          * screenings fail.
322          */

323
324         AtomicReferenceFieldUpdaterImpl(final Class<T> tclass,
325                                         final Class<V> vclass,
326                                         final String fieldName,
327                                         final Class<?> caller) {
328             final Field field;
329             final Class<?> fieldClass;
330             final int modifiers;
331             try {
332                 field = AccessController.doPrivileged(
333                     new PrivilegedExceptionAction<Field>() {
334                         public Field run() throws NoSuchFieldException {
335                             return tclass.getDeclaredField(fieldName);
336                         }
337                     });
338                 modifiers = field.getModifiers();
339                 sun.reflect.misc.ReflectUtil.ensureMemberAccess(
340                     caller, tclass, null, modifiers);
341                 ClassLoader cl = tclass.getClassLoader();
342                 ClassLoader ccl = caller.getClassLoader();
343                 if ((ccl != null) && (ccl != cl) &&
344                     ((cl == null) || !isAncestor(cl, ccl))) {
345                     sun.reflect.misc.ReflectUtil.checkPackageAccess(tclass);
346                 }
347                 fieldClass = field.getType();
348             } catch (PrivilegedActionException pae) {
349                 throw new RuntimeException(pae.getException());
350             } catch (Exception ex) {
351                 throw new RuntimeException(ex);
352             }
353
354             if (vclass != fieldClass)
355                 throw new ClassCastException();
356             if (vclass.isPrimitive())
357                 throw new IllegalArgumentException("Must be reference type");
358
359             if (!Modifier.isVolatile(modifiers))
360                 throw new IllegalArgumentException("Must be volatile type");
361
362             // Access to protected field members is restricted to receivers only
363             // of the accessing class, or one of its subclasses, and the
364             // accessing class must in turn be a subclass (or package sibling)
365             // of the protected member's defining class.
366             // If the updater refers to a protected field of a declaring class
367             // outside the current package, the receiver argument will be
368             // narrowed to the type of the accessing class.
369             this.cclass = (Modifier.isProtected(modifiers) &&
370                            tclass.isAssignableFrom(caller) &&
371                            !isSamePackage(tclass, caller))
372                           ? caller : tclass;
373             this.tclass = tclass;
374             this.vclass = vclass;
375             this.offset = U.objectFieldOffset(field);
376         }
377
378         /**
379          * Returns true if the second classloader can be found in the first
380          * classloader's delegation chain.
381          * Equivalent to the inaccessible: first.isAncestor(second).
382          */

383         private static boolean isAncestor(ClassLoader first, ClassLoader second) {
384             ClassLoader acl = first;
385             do {
386                 acl = acl.getParent();
387                 if (second == acl) {
388                     return true;
389                 }
390             } while (acl != null);
391             return false;
392         }
393
394         /**
395          * Returns true if the two classes have the same class loader and
396          * package qualifier
397          */

398         private static boolean isSamePackage(Class<?> class1, Class<?> class2) {
399             return class1.getClassLoader() == class2.getClassLoader()
400                    && Objects.equals(class1.getPackageName(), class2.getPackageName());
401         }
402
403         /**
404          * Checks that target argument is instance of cclass.  On
405          * failure, throws cause.
406          */

407         private final void accessCheck(T obj) {
408             if (!cclass.isInstance(obj))
409                 throwAccessCheckException(obj);
410         }
411
412         /**
413          * Throws access exception if accessCheck failed due to
414          * protected access, else ClassCastException.
415          */

416         private final void throwAccessCheckException(T obj) {
417             if (cclass == tclass)
418                 throw new ClassCastException();
419             else
420                 throw new RuntimeException(
421                     new IllegalAccessException(
422                         "Class " +
423                         cclass.getName() +
424                         " can not access a protected member of class " +
425                         tclass.getName() +
426                         " using an instance of " +
427                         obj.getClass().getName()));
428         }
429
430         private final void valueCheck(V v) {
431             if (v != null && !(vclass.isInstance(v)))
432                 throwCCE();
433         }
434
435         static void throwCCE() {
436             throw new ClassCastException();
437         }
438
439         public final boolean compareAndSet(T obj, V expect, V update) {
440             accessCheck(obj);
441             valueCheck(update);
442             return U.compareAndSetObject(obj, offset, expect, update);
443         }
444
445         public final boolean weakCompareAndSet(T obj, V expect, V update) {
446             // same implementation as strong form for now
447             accessCheck(obj);
448             valueCheck(update);
449             return U.compareAndSetObject(obj, offset, expect, update);
450         }
451
452         public final void set(T obj, V newValue) {
453             accessCheck(obj);
454             valueCheck(newValue);
455             U.putObjectVolatile(obj, offset, newValue);
456         }
457
458         public final void lazySet(T obj, V newValue) {
459             accessCheck(obj);
460             valueCheck(newValue);
461             U.putObjectRelease(obj, offset, newValue);
462         }
463
464         @SuppressWarnings("unchecked")
465         public final V get(T obj) {
466             accessCheck(obj);
467             return (V)U.getObjectVolatile(obj, offset);
468         }
469
470         @SuppressWarnings("unchecked")
471         public final V getAndSet(T obj, V newValue) {
472             accessCheck(obj);
473             valueCheck(newValue);
474             return (V)U.getAndSetObject(obj, offset, newValue);
475         }
476     }
477 }
478