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[Java教程]说一说Java的Unsafe类


最近在看Java并发包的源码,发现了神奇的Unsafe类,仔细研究了一下,在这里跟大家分享一下。

Unsafe类是在sun.misc包下,不属于Java标准。但是很多Java的基础类库,包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的,比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe类在提升Java运行效率,增强Java语言底层操作能力方面起了很大的作用。

Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力,同时也带来了指针的问题。过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大,因此Java官方并不建议使用的,官方文档也几乎没有。Oracle正在计划从Java 9中去掉Unsafe类,如果真是如此影响就太大了。

通常我们最好也不要使用Unsafe类,除非有明确的目的,并且也要对它有深入的了解才行。要想使用Unsafe类需要用一些比较tricky的办法。Unsafe类使用了单例模式,需要通过一个静态方法getUnsafe()来获取。但Unsafe类做了限制,如果是普通的调用的话,它会抛出一个SecurityException异常;只有由主类加载器加载的类才能调用这个方法。其源码如下:

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 }

 

网上也有一些办法来用主类加载器加载用户代码,比如设置bootclasspath参数。但更简单方法是利用Java反射,方法如下:

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

 

获取到Unsafe实例之后,我们就可以为所欲为了。Unsafe类提供了以下这些功能:

一、内存管理包括分配内存、释放内存等。

该部分包括了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)等方法。getXXX和putXXX包含了各种基本类型的操作。

利用copyMemory方法,我们可以实现一个通用的对象拷贝方法,无需再对每一个对象都实现clone方法,当然这通用的方法只能做到对象浅拷贝。

二、非常规的对象实例化。

allocateInstance()方法提供了另一种创建实例的途径。通常我们可以用new或者反射来实例化对象,使用allocateInstance()方法可以直接生成对象实例,且无需调用构造方法和其它初始化方法。

这在对象反序列化的时候会很有用,能够重建和设置final字段,而不需要调用构造方法。

三、操作类、对象、变量。

这部分包括了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)等方法。

通过这些方法我们可以获取对象的指针,通过对指针进行偏移,我们不仅可以直接修改指针指向的数据(即使它们是私有的),甚至可以找到JVM已经认定为垃圾、可以进行回收的对象。

四、数组操作。

这部分包括了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。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用,就可以定位数组中每个元素在内存中的位置。

由于Java的数组最大值为Integer.MAX_VALUE,使用Unsafe类的内存分配方法可以实现超大数组。实际上这样的数据就可以认为是C数组,因此需要注意在合适的时间释放内存。

五、多线程同步。包括锁机制、CAS操作等。

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

其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已经被标记为deprecated,不建议使用。

Unsafe类的CAS操作可能是用的最多的,它为Java的锁机制提供了一种新的解决办法,比如AtomicInteger等类都是通过该方法来实现的。compareAndSwap方法是原子的,可以避免繁重的锁机制,提高代码效率。这是一种乐观锁,通常认为在大部分情况下不出现竞态条件,如果操作失败,会不断重试直到成功。

六、挂起与恢复。

这部分包括了park、unpark等方法。

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的,调用 park后,线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程,使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中,LockSupport类中有各种版本pack方法,但最终都调用了Unsafe.park()方法。

七、内存屏障。

这部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。这是在Java 8新引入的,用于定义内存屏障,避免代码重排序。

loadFence() 表示该方法之前的所有load操作在内存屏障之前完成。同理storeFence()表示该方法之前的所有store操作在内存屏障之前完成。fullFence()表示该方法之前的所有load、store操作在内存屏障之前完成。