Java的Unsafe類

本文轉載自：https://www.cnblogs.com/pkufork/p/java_unsafe.html

 

最近在看Java併發包的源碼，發現了神奇的Unsafe類，仔細研究了一下，在這裏跟你們分享一下。

Unsafe類是在sun.misc包下，不屬於Java標準。可是不少Java的基礎類庫，包括一些被普遍使用的高性能開發庫都是基於Unsafe類開發的，好比Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe類在提高Java運行效率，加強Java語言底層操做能力方面起了很大的做用。

Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針同樣操做內存空間的能力，同時也帶來了指針的問題。過分的使用Unsafe類會使得出錯的概率變大，所以Java官方並不建議使用的，官方文檔也幾乎沒有。Oracle正在計劃從Java 9中去掉Unsafe類，若是真是如此影響就太大了。

一般咱們最好也不要使用Unsafe類，除非有明確的目的，而且也要對它有深刻的瞭解才行。要想使用Unsafe類須要用一些比較tricky的辦法。Unsafe類使用了單例模式，須要經過一個靜態方法getUnsafe()來獲取。但Unsafe類作了限制，若是是普通的調用的話，它會拋出一個SecurityException異常；只有由主類加載器加載的類才能調用這個方法。其源碼以下：

1 public static Unsafe getUnsafe() {
2     Class var0 = Reflection.getCallerClass();
3     if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
4         throw new SecurityException("Unsafe");
5     } else {
6         return theUnsafe;
7     }
8 }

 

網上也有一些辦法來用主類加載器加載用戶代碼，好比設置bootclasspath參數。但更簡單方法是利用Java反射，方法以下：

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

 

獲取到Unsafe實例以後，咱們就能夠隨心所欲了。Unsafe類提供瞭如下這些功能：

1、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（從新分配內存）、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，並支持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，並支持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包含了各類基本類型的操做。

利用copyMemory方法，咱們能夠實現一個通用的對象拷貝方法，無需再對每個對象都實現clone方法，固然這通用的方法只能作到對象淺拷貝。

2、很是規的對象實例化。

allocateInstance()方法提供了另外一種建立實例的途徑。一般咱們能夠用new或者反射來實例化對象，使用allocateInstance()方法能夠直接生成對象實例，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頗有用，可以重建和設置final字段，而不須要調用構造方法。

3、操做類、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。

經過這些方法咱們能夠獲取對象的指針，經過對指針進行偏移，咱們不只能夠直接修改指針指向的數據（即便它們是私有的），甚至能夠找到JVM已經認定爲垃圾、能夠進行回收的對象。

4、數組操做。

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，就能夠定位數組中每一個元素在內存中的位置。

因爲Java的數組最大值爲Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe類的內存分配方法能夠實現超大數組。實際上這樣的數據就能夠認爲是C數組，所以須要注意在合適的時間釋放內存。

5、多線程同步。包括鎖機制、CAS操做等。

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

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

Unsafe類的CAS操做多是用的最多的，它爲Java的鎖機制提供了一種新的解決辦法，好比AtomicInteger等類都是經過該方法來實現的。compareAndSwap方法是原子的，能夠避免繁重的鎖機制，提升代碼效率。這是一種樂觀鎖，一般認爲在大部分狀況下不出現競態條件，若是操做失敗，會不斷重試直到成功。

6、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經過park方法實現的，調用 park後，線程將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現。unpark能夠終止一個掛起的線程，使其恢復正常。整個併發框架中對線程的掛起操做被封裝在 LockSupport類中，LockSupport類中有各類版本pack方法，但最終都調用了Unsafe.park()方法。

7、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，用於定義內存屏障，避免代碼重排序。

loadFence() 表示該方法以前的全部load操做在內存屏障以前完成。同理storeFence()表示該方法以前的全部store操做在內存屏障以前完成。fullFence()表示該方法以前的全部load、store操做在內存屏障以前完成。