java中Unsafe類怎么用

Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內(nèi)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。

一、簡單介紹

首先在Oracle的Jdk8無法獲取到sun.misc包的源碼，想看此包的源碼可以直接下載openjdk。

1、預(yù)備工作

openjdk的源碼我下載的是openjdk-8u40-src-b25-10_feb_2015，有需要的可以私信我，如果是我公眾號粉絲，我會直接附加上這個百度云資源。在下載完成之后，然后就可以直接導(dǎo)入我們的eclipse了。

windows->preference->installed jres->選中jre->edit->rt.jar->source attachment->external folders->openjdk源碼路徑。此時就可以查看我們的Unsafe類的源碼了。

2、簡介說明

如果你學(xué)習(xí)了一些java并發(fā)包里面的類源碼的話，對這個Unsafe類一定不陌生，整個java并發(fā)包底層實現(xiàn)的核心就是它，在很久之前盛傳著這個類將要在jdk9移除，事實上如果移除了那么一大批框架將會消失，比如說赫赫有名的Netty框架。最終jdk9出現(xiàn)的時候也只是對其進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化。不過這也再一次說明了這個類的重要地位。

為什么說它一半是天使一半是魔鬼呢?要回答這個問題，我們還是要從其特性來解釋。

(1)Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，一旦能夠直接操作內(nèi)存，這也就意味著(1)不受jvm管理，也就意味著無法被GC，需要我們手動GC，稍有不慎就會出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。

(2)Unsafe的不少方法中必須提供原始地址(內(nèi)存地址)和被替換對象的地址，偏移量要自己計算，一旦出現(xiàn)問題就是JVM崩潰級別的異常，會導(dǎo)致整個JVM實例崩潰，表現(xiàn)為應(yīng)用程序直接crash掉。

(3)直接操作內(nèi)存，也意味著其速度更快，在高并發(fā)的條件之下能夠很好地提高效率。

因此，從上面三個角度來看，雖然在一定程度上提升了效率但是也帶來了指針的不安全性。

下面我們深入到源碼中看看，提供了什么方法直接操作內(nèi)存。

二、源碼分析

Unsafe中一共有82個public native修飾的方法，還有幾十個基于這82個public native方法的其他方法。這些方法大體可以歸結(jié)為以下幾類：

(1)初始化操作

(2)操作對象屬性

(3)操作數(shù)組元素

(4)內(nèi)存管理

(5)內(nèi)存屏障

(6)線程掛起和回復(fù)

(7)CAS機(jī)制

下面我們對這些方法盡進(jìn)行一個大致的分析。

1、初始化

//1、注冊native方法，是的Unsafe類可以操作C語言
private static native void registerNatives();
static {
    registerNatives();
    sun.reflect.Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, "getUnsafe");
}
//2、構(gòu)造方法
private Unsafe() {}
//3、初始化方法
private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
//4、初始化方法實現(xiàn)
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class> caller = Reflection.getCallerClass();
    if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
        throw new SecurityException("Unsafe");
    return theUnsafe;
}

在這里我們看到Unsafe的初始化方法主要是通過getUnsafe方法的單例模式實現(xiàn)的，調(diào)用JVM本地方法registerNatives()和sun.reflect.Reflection，通過Reflection的getCallerClass判斷當(dāng)前調(diào)用的類是否是主類加載器(BootStrap classLoader)加載的，否則的話拋出一個SecurityException。這也證明了一個問題，那就是只有由主類加載器(BootStrap classLoader)加載的類才能調(diào)用這個類中的方法。

2、操作屬性方法

(1)public native Object getObject(Object o, long offset);

通過給定的Java變量獲取引用值。這里實際上是獲取一個Java對象o中，獲取偏移地址為offset的屬性的值，此方法可以突破修飾符的抑制，也就是無視private、protected和default修飾符。類似的方法有g(shù)etInt、getDouble等等。同理還有putObject方法。

(2)public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset);

強(qiáng)制從主存中獲取屬性值。類似的方法有g(shù)etIntVolatile、getDoubleVolatile等等。同理還有putObjectVolatile。

(3)public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x);

設(shè)置o對象中offset偏移地址offset對應(yīng)的Object型field的值為指定值x。這是一個有序或者有延遲的putObjectVolatile方法，并且不保證值的改變被其他線程立即看到。只有在field被volatile修飾并且期望被修改的時候使用才會生效。類似的方法有putOrderedInt和putOrderedLong。

(4)public native long staticFieldOffset(Field f);

返回給定的靜態(tài)屬性在它的類的存儲分配中的位置(偏移地址)。

(5)public native long objectFieldOffset(Field f);

返回給定的非靜態(tài)屬性在它的類的存儲分配中的位置(偏移地址)。

(6)public native Object staticFieldBase(Field f);

返回給定的靜態(tài)屬性的位置，配合staticFieldOffset方法使用。

3、操作數(shù)組

(1)public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass);

返回數(shù)組類型的第一個元素的偏移地址(基礎(chǔ)偏移地址)。

(2)public native int arrayIndexScale(Class arrayClass);

返回數(shù)組中元素與元素之間的偏移地址的增量。

這兩個方法配合使用就可以定位到任何一個元素的地址。

4、內(nèi)存管理

(1)public native int addressSize();

獲取本地指針的大小(單位是byte)，通常值為4或者8。常量ADDRESS_SIZE就是調(diào)用此方法。

(2)public native int pageSize();

獲取本地內(nèi)存的頁數(shù)，此值為2的冪次方。

(3)public native long allocateMemory(long bytes);

分配一塊新的本地內(nèi)存，通過bytes指定內(nèi)存塊的大小(單位是byte)，返回新開辟的內(nèi)存的地址。

(4)public native long reallocateMemory(long address, long bytes);

通過指定的內(nèi)存地址address重新調(diào)整本地內(nèi)存塊的大小，調(diào)整后的內(nèi)存塊大小通過bytes指定(單位為byte)。

(5)public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);

將給定內(nèi)存塊中的所有字節(jié)設(shè)置為固定值(通常是0)。

5、線程掛起和恢復(fù)

(1)public native void unpark(Object thread);

釋放被park創(chuàng)建的在一個線程上的阻塞。由于其不安全性，因此必須保證線程是存活的。

(2)public native void park(boolean isAbsolute, long time);

阻塞當(dāng)前線程，一直等道unpark方法被調(diào)用。

6、內(nèi)存屏障

(1)public native void loadFence();

在該方法之前的所有讀操作，一定在load屏障之前執(zhí)行完成。

(2)public native void storeFence();

在該方法之前的所有寫操作，一定在store屏障之前執(zhí)行完成

(3)public native void fullFence();

在該方法之前的所有讀寫操作，一定在full屏障之前執(zhí)行完成，這個內(nèi)存屏障相當(dāng)于上面兩個(load屏障和store屏障)的合體功能。

7、CAS機(jī)制

public final native boolean compareAndSwapObject(
   Object o, long offset, Object expected, Object x);
public final native boolean compareAndSwapInt(
   Object o, long offset,int expected, int x);
public final native boolean compareAndSwapLong(
   Object o, long offset, long expected,long x);

這個Unsafe類其實是貫穿到整個java并發(fā)包體系中的，不管是你看原子包還是lock包底部都有這樣的一個類，我們需要記住的不是每一個方法，而是上面七類的標(biāo)題。也就是具體有什么功能。

三、使用

說了這么久的源碼在這里才介紹其使用，是因為官方并不推薦我們使用，也就是說我們無法直接new出來一個Unsafe類出來，那我們該如何使用呢?在很久之前我曾寫過一篇介紹java反射機(jī)制的文章，沒錯就是這個反射機(jī)制，牛的不行。Unsafe就可以通過反射機(jī)制來獲取。

public class UnsafeTest {
   public static void main(String[] args) throws Exception {
       //這里的theUnsafe就是我們源碼中的那個theUnsafe
       Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
       theUnsafe.setAccessible(true);
       Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

       //1、創(chuàng)建對象實例
       Author author = (Author) unsafe.allocateInstance(Author.class);
       //2、操作對象的屬性
       Field ageField = Author.class.getDeclaredField("age");
       long fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(ageField);
       //3、操作數(shù)組
       String[] strings = new String[]{"1", "2", "3"};
       long i = unsafe.arrayBaseOffset(String[].class);
       //4、操作內(nèi)存
       long address = unsafe.allocateMemory(8L);        
   }
}