Unsafe-Java永远的“神”（一）

- 日理万妓 2021-07-24 20:38 576阅读 0赞

# 简要介绍： #

Java语言先比较与C和C++有一个非常大的不同点在于Java语言无法直接操作内存，实际开发中，默认都是由JVM来进行内存分配和垃圾回收，而JVM在进行垃圾回收的时候，绝大多数垃圾回收器都需要STW(stop the world)这个问题往往会导致服务短暂或者较长时间的暂停。因此Unsafe提供了通过Java直接操作内存的API，尽管Unsafe是JavaNIO和并发的核心类，但是其如其名，这是一个官方不推荐开发者使用的及其不安全的类！

# 主要作用： #

<table> 
 <thead> 
 <tr> 
 <th>序号</th> 
 <th>作用</th> 
 <th>API</th> 
 </tr> 
 </thead> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td>1</td> 
 <td>内存管理。(包括分配内存、释放内存等。)</td> 
 <td>allocateMemory（分配内存）、reallocateMemory（重新分配内存）、copyMemory（拷贝内存）、freeMemory（释放内存 ）、getAddress（获取内存地址）、addressSize、pageSize、getInt（获取内存地址指向的整数）、getIntVolatile（获取内存地址指向的整数，并支持volatile语义）、putInt（将整数写入指定内存地址）、putIntVolatile（将整数写入指定内存地址，并支持volatile语义）、putOrderedInt（将整数写入指定内存地址、有序或者有延迟的方法）</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>2</td> 
 <td>非常规的对象实例化</td> 
 <td>allocateInstance()方法提供了另一种创建实例的途径</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>3</td> 
 <td>操作类、对象、变量</td> 
 <td>staticFieldOffset（静态域偏移）、defineClass（定义类）、defineAnonymousClass（定义匿名类）、ensureClassInitialized（确保类初始化）、objectFieldOffset（对象域偏移）</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>4</td> 
 <td>数组操作</td> 
 <td>arrayBaseOffset（获取数组第一个元素的偏移地址）、arrayIndexScale（获取数组中元素的增量地址）等方法</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>5</td> 
 <td>多线程同步。包括锁机制、CAS操作等</td> 
 <td>monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>6</td> 
 <td>挂起与恢复</td> 
 <td>park、unpark</td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td>7</td> 
 <td>内存屏障</td> 
 <td>loadFence、storeFence、fullFence</td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

# *一、获取Unsafe* #

## 源码-基于jdk1.8 ##

/* * 在Unsafe源码中限制了获取Unsafe的ClassLoader，如果这个方法调用实例不是由BootStrap类加载器加载的，则会报错 * 因此，我们如果需要使用Unsafe类，可以通过反射的方式来获取。 */
    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() { 
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        // 此处会判断ClassLoader是否为空，BootStrap由C语言编写，在Java中获取会返回null。
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) { 
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else { 
            return theUnsafe;
        }
    }

## 获取方式 ##

/** * 反射获取Unsafe * * @return Unsafe */
    public static final Unsafe getUnsafe() { 
    
        Unsafe unsafe = null;
        try { 
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            theUnsafe.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException | IllegalAccessException e) { 
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }

# *二、操作方法* #

## 数组操作 ##

package com.liziba.unsafe;
 
 import sun.misc.Unsafe;
 
 /** * * 操作数组示例 * * * @Author: Liziba * @Date: 2021/5/23 13:33 */
 public class OperateArrayExample { 
 
 
 /** * 1、public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1); 获取数组第一个元素的偏移地址 * 2、public native int arrayIndexScale(Class<?> var1); 获取数组中元素的增量地址 * 3、public Object getObject(Object var1, int var2); 通过对象和地址偏移量获取元素 */
 public static void operateArrayUseUnsafe() { 
 // 测试数组
 String[] exampleArray = new String [] { "李" , "子", "捌"};
 
 Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
 // 获取数组的基本偏移量
 int baseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(String[].class);
 System.out.println("String[] base offset is : " + baseOffset);
 
 // 获取数组中元素的增量地址
 int scale = unsafe.arrayIndexScale(String[].class);
 System.out.println("String[] index scale is : " + scale);
 
 // 获取数组中第n个元素 i = (baseOffset + (scale * n-1))
 System.out.println("third element is :" + unsafe.getObject(exampleArray, baseOffset + (scale * 2)));
 
 // 修改数组中第n个元素 i = (baseOffset + (scale * n-1))
 unsafe.putObject(exampleArray, baseOffset + scale * 2, "柒");
 System.out.println("third element is :" + unsafe.getObject(exampleArray, baseOffset + (scale * 2)));
 }
 
 public static void main(String[] args) { 
 OperateArrayExample.operateArrayUseUnsafe();
 }
 
 }

**输出结果**  
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## 对象操作 ##

package com.liziba.unsafe;
 
 import com.liziba.unsafe.pojo.User;
 import sun.misc.Unsafe;
 
 import java.io.File;
 import java.io.FileInputStream;
 import java.lang.reflect.Constructor;
 import java.lang.reflect.Field;
 
 /** * * 操作对象示例 * * * @Author: Liziba * @Date: 2021/5/24 20:40 */
 public class OperateObjectExample { 
 
 /** * 1、public native Object allocateInstance(Class<?> var1); 分配内存 * 2、public native Class<?> defineClass(String var1, byte[] var2, int var3, int var4, ClassLoader var5, ProtectionDomain var6); 方法定义一个类用于动态的创建类 * @throws Exception */
 public static void operateObjectUseUnsafe() throws Exception{ 
 
 Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
 
 // 使用Unsafe的allocateInstance()方法，可以无需使用构造函数的情况下实例化对象
 User user = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
 user.setId(1);
 user.setName("李子捌");
 System.out.println(user);
 
 // 返回对象成员属性在内存中相对于对象在内存中地址的偏移量
 Field name = User.class.getDeclaredField("name");
 long fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(name);
 
 // 使用Unsafe的putXxx()方法，可以直接修改内存地址指向的数据（可以越过权限访问控制符）
 unsafe.putObject(user, fieldOffset, "李子柒");
 System.out.println(user);
 
 // 使用Unsafe在运行时通过.class文件，创建类
 File classFile = new File("E:\\workspaceall\\liziba-javap5\\out\\production\\liziba-javap5\\com\\liziba\\unsafe\\pojo\\User.class");
 FileInputStream fis = new FileInputStream(classFile);
 byte [] classContent = new byte[(int) classFile.length()];
 fis.read(classContent);
 Class<?> clazz = unsafe.defineClass(null, classContent, 0, classContent.length, null, null);
 Constructor<?> constructor = clazz.getDeclaredConstructor(int.class, String.class);
 System.out.println(constructor.newInstance(1, "李子玖"));
 
 }
 
 public static void main(String[] args) { 
 try { 
 OperateObjectExample.operateObjectUseUnsafe();
 } catch (Exception e) { 
 e.printStackTrace();
 }
 }
 
 }

**输出结果**  
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## 内存操作 ##

package com.liziba.unsafe;
 
 import sun.misc.Unsafe;
 
 /** * * 內存地址操作示例 * * * @Author: Liziba * @Date: 2021/5/24 21:32 */
 public class OperateMemoryExample { 
 
 /** * 1、public native long allocateMemory(long var1); 分配var1字节大小的内存，返回起始地址偏移量 * 2、public native long reallocateMemory(long var1, long var3); 重新给var1起始地址的内存分配长度为var3字节的内存，返回新的内存起始地址偏移量 * 3、public native void freeMemory(long var1); 释放起始地址为var1的地址 * * 分配地址的方法还有重分配，都是分配在堆外内存，返回的是一个long类型的地址偏移量。这个偏移量在Java程序中的每一块内存都是唯一的 * */
 public static void operateMemoryUseUnsafe() { 
 
 Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
 // 申请分配8byte的内存
 long address = unsafe.allocateMemory(1L);
 // 初始化内存填充值
 unsafe.putByte(address, (byte)1);
 // 测试输出
 System.out.println(new StringBuilder().append("address: ").append(address).append(" byte value: ").append(unsafe.getByte(address)));
 
 // 重新分配一个地址
 long newAddress = unsafe.reallocateMemory(address, 8L);
 unsafe.putLong(newAddress, 8888L);
 System.out.println(new StringBuilder().append("address: ").append(newAddress).append(" long value: ").append(unsafe.getLong(newAddress)));
 
 // 释放地址，注意地址可能被其他使用
 unsafe.freeMemory(newAddress);
 System.out.println(new StringBuilder().append("address: ").append(newAddress).append(" long value: ").append(unsafe.getLong(newAddress)));
 
 }
 
 
 public static void main(String[] args) { 
 OperateMemoryExample.operateMemoryUseUnsafe();
 }
 
 }

**输出结果**  
![在这里插入图片描述][20210608231645251.png_pic_center]

## CAS操作 ##

package com.liziba.unsafe;
 
 import com.liziba.unsafe.pojo.User;
 import sun.misc.Unsafe;
 
 import java.lang.reflect.Field;
 
 /** * * CAS操作示例 * * * @Author: Liziba * @Date: 2021/5/24 22:18 */
 public class OperateCASExample { 
 
 /** * CAS == compare and swap(比较并替换) * 当需要改变的值为期望值的时候，就替换为新的值，是原子（不可再分割）操作。Java中大量的并发框架底层使用到了CAS操作。 * 优势：无锁操作，减少线程切换带来的开销 * 缺点：CAS容易在并发的情况下失败从而引发性能问题，也存在ABA问题。 * * Unsafe中提供了三个方法 * 1、compareAndSwapInt * 2、compareAndSwapLong * 3、compareAndSwapObject * */
 public static void operateCASUseUnsafe() throws Exception { 
 
 User user = new User(1, "李子捌");
 System.out.println("pre user value: " + user);
 
 Unsafe unsafe = UnsafeFactory.getUnsafe();
 Field id = user.getClass().getDeclaredField("id");
 Field name = user.getClass().getDeclaredField("name");
 // 获取ID字段的内存偏移量
 long idFieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(id);
 // 获取name字段的内存偏移量
 long nameFieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(name);
 // 如果ID的期望值是1，则修改为18 success
 unsafe.compareAndSwapInt(user, idFieldOffset, 1, 18);
 // 如果name的期望值是小荔枝，则修改为李子柒 fail
 unsafe.compareAndSwapObject(user, nameFieldOffset, "小荔枝", "李子柒");
 // 输出修改的user对象
 System.out.println("post user value: " + user);
 
 }
 
 
 public static void main(String[] args) { 
 try { 
 OperateCASExample.operateCASUseUnsafe();
 } catch (Exception e) { 
 e.printStackTrace();
 }
 }
 
 
 }

**输出结果**

![在这里插入图片描述][2021060823170293.png_pic_center]

## 线程的挂起和恢复 ##

/** * 查看Java的java.util.concurrent.locks.LockSupport源代码可以发现LockSupport类 * 中有各种版本的pack方法但是最终都是通过调用Unsafe.park()方法实现的。 */
    
    public class LockSupport { 
    
    	public static void unpark(Thread thread) { 
            if (thread != null)
                UNSAFE.unpark(thread);
        }
        
        
        public static void park(Object blocker) { 
            Thread t = Thread.currentThread();
            setBlocker(t, blocker);
            UNSAFE.park(false, 0L);
            setBlocker(t, null);
        }
        
        
        public static void parkNanos(Object blocker, long nanos) { 
            if (nanos > 0) { 
                Thread t = Thread.currentThread();
                setBlocker(t, blocker);
                UNSAFE.park(false, nanos);
                setBlocker(t, null);
            }
        }
        
        public static void parkNanos(long nanos) { 
            if (nanos > 0)
                UNSAFE.park(false, nanos);
        }
        
        public static void parkUntil(Object blocker, long deadline) { 
            Thread t = Thread.currentThread();
            setBlocker(t, blocker);
            UNSAFE.park(true, deadline);
            setBlocker(t, null);
        }
        
         public static void parkUntil(long deadline) { 
            UNSAFE.park(true, deadline);
        }
    }

[2021060823161320.png_pic_center]: /images/20210724/3510087887cb460c90aff20b8bda846c.png
[2021060823163123.png_pic_center]: /images/20210724/066ce5e5c73c43b48c3ae7c62f2f597e.png
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