Unsafe類介紹

第一次看到這個類時被它的名字嚇到了，居然還有一個類自名Unsafe？讀完本文，大家也能發現Unsafe類確實有點不那么安全，它能實現一些不那么常見的功能。

Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內存空間的能力，同時也帶來了指針的問題。過度的使用Unsafe類會使得出錯的幾率變大，因此Java官方并不建議使用的，官方文檔也幾乎沒有。Oracle正在計劃從Java 9中去掉Unsafe類，如果真是如此影響就太大了。

Unsafe類提供了以下這些功能：

一、內存管理。包括分配內存、釋放內存等。

該部分包括了allocateMemory（分配內存）、reallocateMemory（重新分配內存）、copyMemory（拷貝內存）、freeMemory（釋放內存 ）、getAddress（獲取內存地址）、addressSize、pageSize、getInt（獲取內存地址指向的整數）、getIntVolatile（獲取內存地址指向的整數，并支持volatile語義）、putInt（將整數寫入指定內存地址）、putIntVolatile（將整數寫入指定內存地址，并支持volatile語義）、putOrderedInt（將整數寫入指定內存地址、有序或者有延遲的方法）等方法。getXXX和putXXX包含了各種基本類型的操作。

利用copyMemory方法，我們可以實現一個通用的對象拷貝方法，無需再對每一個對象都實現clone方法，當然這通用的方法只能做到對象淺拷貝。

二、非常規的對象實例化。

allocateInstance()方法提供了另一種創建實例的途徑。通常我們可以用new或者反射來實例化對象，使用allocateInstance()方法可以直接生成對象實例，且無需調用構造方法和其它初始化方法。

這在對象反序列化的時候會很有用，能夠重建和設置final字段，而不需要調用構造方法。

三、操作類、對象、變量。

這部分包括了staticFieldOffset（靜態域偏移）、defineClass（定義類）、defineAnonymousClass（定義匿名類）、ensureClassInitialized（確保類初始化）、objectFieldOffset（對象域偏移）等方法。

通過這些方法我們可以獲取對象的指針，通過對指針進行偏移，我們不僅可以直接修改指針指向的數據（即使它們是私有的），甚至可以找到JVM已經認定為垃圾、可以進行回收的對象。

四、數組操作。

這部分包括了arrayBaseOffset（獲取數組第一個元素的偏移地址）、arrayIndexScale（獲取數組中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset與arrayIndexScale配合起來使用，就可以定位數組中每個元素在內存中的位置。

由于Java的數組最大值為Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe類的內存分配方法可以實現超大數組。實際上這樣的數據就可以認為是C數組，因此需要注意在合適的時間釋放內存。

五、多線程同步。包括鎖機制、CAS操作等。

這部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。

其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已經被標記為deprecated，不建議使用。

Unsafe類的CAS操作可能是用的最多的，它為Java的鎖機制提供了一種新的解決辦法，比如AtomicInteger等類都是通過該方法來實現的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的鎖機制，提高代碼效率。這是一種樂觀鎖，通常認為在大部分情況下不出現競態條件，如果操作失敗，會不斷重試直到成功。

六、掛起與恢復。

這部分包括了park、unpark等方法。

將一個線程進行掛起是通過park方法實現的，調用 park后，線程將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現。unpark可以終止一個掛起的線程，使其恢復正常。整個并發框架中對線程的掛起操作被封裝在 LockSupport類中，LockSupport類中有各種版本pack方法，但最終都調用了Unsafe.park()方法。

七、內存屏障。

這部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。這是在Java 8新引入的，用于定義內存屏障，避免代碼重排序。

loadFence() 表示該方法之前的所有load操作在內存屏障之前完成。同理storeFence()表示該方法之前的所有store操作在內存屏障之前完成。fullFence()表示該方法之前的所有load、store操作在內存屏障之前完成。

測試代碼

import com.User;import org.junit.Before;import org.junit.Test;import sun.misc.Unsafe; import java.lang.reflect.Field;import java.util.ArrayList;import java.util.UUID;import java.util.concurrent.CountDownLatch; class User { public static String USER_CLASS_NAME = 'User.class'; private int age; private String name; public int getAge() { return age; } public String getName() { return name; } public User(int age, String name) { this.age = age; this.name = name; } public void setAge(int age) { this.age = age; } public void setName(String name) { this.name = name; }} public class LockTests { Unsafe unSafe; User u = new User(17, 'zhangsan'); @Before public void before() throws Exception { Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField('theUnsafe'); theUnsafeField.setAccessible(true); unSafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(Unsafe.class); } @Test public void objectFieldOffset() throws Exception { // unSafe偏底層的一個Java工具類 java.util.List users = new ArrayList(); for (int i = 0; i < 10; i++) { Field ageField = User.class.getDeclaredField('age'); User u = new User(18, 'daxin'); users.add(u); //使用內存獲取User age字段在內存中的 offset // 是相對地址，不是一個絕對地址 long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField); // 每次都相同 System.out.println('ageOffset = ' + ageOffset); } } @Test public void compareAndSwapInt() throws Exception { // unSafe偏底層的一個Java工具類 Field ageField = User.class.getDeclaredField('age'); User u = new User(18, 'daxin'); //使用內存獲取User age字段在內存中的 offset long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField); // 修改之前的值 System.out.println(u.getAge()); // 進行CAS更新, 由于設置18 因此CAS 會成功 unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 20); System.out.println(u.getAge()); // 由于age設置20 進行CAS失敗 unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 22); System.out.println(u.getAge()); } @Test public void ensureClassInitialized() { System.out.println('==== start ===='); unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class); // 再次 確認不會報錯 unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class); } /** * AQS 底層的Node鏈表就是基于這個工具實現的 。 * * @throws Exception */ @Test public void getValueByFieldOffset() throws Exception { for (int i = 0; i < 10; i++) { User u = new User(18, UUID.randomUUID().toString().substring(i, 20)); int age = unSafe.getInt(u, 12L); System.out.println('age = ' + age); // 獲取名字 field offset Field nameField = User.class.getDeclaredField('name'); long nameOffset = unSafe.objectFieldOffset(nameField); System.out.println('nameOffset = ' + nameOffset); String name = unSafe.getObject(u, nameOffset) + ''; System.out.println('name = ' + name); } } @Test public void pageSize() { System.out.println('unSafe.pageSize() = ' + unSafe.pageSize()); } /** * AtomicInteger 底層是基于getAndAddInt實現 */ @Test public void getAndAddInt() throws InterruptedException { User u = new User(17, 'zhangsan'); CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10); System.out.println('u.getAge() = ' + u.getAge()); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() { downLatch.countDown(); int val = unSafe.getAndAddInt(u, 12L, 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ' val = ' + val);} }).start(); } Thread.sleep(5000); System.out.println('u.getAge() = ' + u.getAge()); } @Test public void getAndSetInt() throws InterruptedException { User u = new User(17, 'zhangsan'); CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10); System.out.println('u.getAge() = ' + u.getAge()); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() {@Overridepublic void run() { downLatch.countDown(); int val = unSafe.getAndSetInt(u, 12L, 10); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + ' val = ' + val);} }).start(); } Thread.sleep(5000); System.out.println('u.getAge() = ' + u.getAge()); } @Test public void getIntVolatile() { for (int i = 0; i < 10; i++) { u.setAge(i); /** * @param obj the object containing the field to modify. * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>. * @return */ int age = unSafe.getIntVolatile(u, 12L); System.out.println('age = ' + age); } } // 系統負載采樣的接口 @Test public void getLoadAverage() { double[] nums = new double[8]; int val = unSafe.getLoadAverage(nums, 8); System.out.println(val); } /** * //內存屏障，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(); * <p> * <p> * 參見：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html */ @Test public void loadFence() { //java.util.concurrent.locks.StampedLock.validate unSafe.loadFence(); } /** * //內存屏障，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(); * 參見：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html */ @Test public void storeFence() { } /** * //內存屏障，禁止load、store操作重排序 * public native void fullFence(); * 參見：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html */ @Test public void fullFence() { } @Test public void shouldBeInitialized() { boolean shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(String.class); System.out.println(shouldBeInitialized); shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(User.class); System.out.println(shouldBeInitialized); } /** * synchronized 的一種實現獲取鎖 * * @throws InterruptedException */ @Test public void monitorEnter() throws InterruptedException { unSafe.monitorEnter(u); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() {synchronized (u) { System.out.println('==u lock got ==');} } }).start(); Thread.sleep(2000); unSafe.monitorExit(u); } @Test public void compareAndSwap() {// unSafe.compareAndSwapInt(對象, 對象中的字段偏移, 期望值, 設置值)// unSafe.compareAndSwapLong(對象, 對象中的字段偏移, 期望值, 設置值)// unSafe.compareAndSwapObject(對象, 對象中的字段偏移, 期望值, 設置值) } @Test public void t() { // 方法簽名 // public void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset, long bytes) // unSafe.copyMemory(); } } class ClassIsLoad { static { System.out.println('ClassIsLoad class Is Load !'); }}

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