Java基础之Unsafe内存操作不安全类详解

简介

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，直接操作内存就意味着

1、不受jvm管理，也就意味着无法被GC，需要我们手动GC，稍有不慎就会出现内存泄漏。

2、Unsafe的不少方法中必须提供原始地址(内存地址)和被替换对象的地址，偏移量要自己计算，一旦出现问题就是JVM崩溃级别的异常，会导致整个JVM实例崩溃，表现为应用程序直接crash掉。

3、直接操作内存，也意味着其速度更快，在高并发的条件之下能够很好地提高效率。

Unsafe 类

public final class Unsafe

Unsafe类是"final"的，不允许继承。

Unsafe 属性

private static final Unsafe theUnsafe;
public static final int INVALID_FIELD_OFFSET = -1;
public static final int ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_INT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_LONG_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_INT_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_LONG_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE;
public static final int ADDRESS_SIZE;

这些属性都是在类加载时初始化，它们都是一些类型数组指针。

Unsafe 静态加载

static {
	registerNatives();
	Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, new String[]{"getUnsafe"});
	theUnsafe = new Unsafe();
	ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(boolean[].class);
	ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(byte[].class);
	ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(short[].class);
	ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(char[].class);
	ARRAY_INT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
	ARRAY_LONG_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(long[].class);
	ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(float[].class);
	ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(double[].class);
	ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(Object[].class);
	ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(boolean[].class);
	ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(byte[].class);
	ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(short[].class);
	ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(char[].class);
	ARRAY_INT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(int[].class);
	ARRAY_LONG_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(long[].class);
	ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(float[].class);
	ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(double[].class);
	ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(Object[].class);
	ADDRESS_SIZE = theUnsafe.addressSize();
}
private static native void registerNatives();

Unsafe 构造函数

private Unsafe() {
}

Unsafe 对象不能直接通过 new Unsafe()，它的构造函数是私有的。

Unsafe 实例化方法

public static Unsafe getUnsafe() {
	Class var0 = Reflection.getCallerClass();
	if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
		throw new SecurityException("Unsafe");
	} else {
		return theUnsafe;
	}
}

getUnsafe 只能从引导类加载器（bootstrap class loader）加载，非启动类加载器直接调用 Unsafe.getUnsafe() 方法会抛出 SecurityException 异常。解决办法：

1、可以令代码 " 受信任 "。运行程序时，通过 JVM 参数设置 bootclasspath 选项，指定系统类路径加上使用的一个 Unsafe 路径。

java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.Test

2、通过 Java 反射机制，暴力获取。

Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);

Unsafe 内存管理

// 获取本地指针的大小(单位是byte)，通常值为4或者8。常量ADDRESS_SIZE就是调用此方法。
public native int addressSize();
// 获取本地内存的页数，此值为2的幂次方。
public native int pageSize();
// 分配一块新的本地内存，通过bytes指定内存块的大小(单位是byte)，返回新开辟的内存的地址。
public native long allocateMemory(long var1);
// 通过指定的内存地址address重新调整本地内存块的大小，调整后的内存块大小通过bytes指定(单位为byte)。
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 将给定内存块中的所有字节设置为固定值(通常是0)
public native void setMemory(Object var1, long var2, long var4, byte var6);
// 内存复制
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除内存
public native void freeMemory(long var1);

注意：allocateMemory方法申请的内存，将直接脱离jvm，gc将无法管理该方式申请的内存，用完一定要手动释放内存，防止内存溢出；
JDK中示例：ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)使用DirectByteBuffer，DirectByteBuffer中就是用allocateMemory申请堆外内存。

Unsafe 获取偏移量

// 返回指定变量所属类中的内存偏移量
public native long objectFieldOffset(Field var1);
// 获取数组中第一个元素的地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 获取静态变量地址偏移值
public native long staticFieldOffset(Field var1);
// 其实就是数据中元素偏移地址的增量，数组中的元素的地址是连续的
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

Unsafe 检查类初始化

// 检测给定的类是否需要初始化。
// 当ensureClassInitialized方法不生效的时候才返回false
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c);
// 检测给定的类是否已经初始化。
public native void ensureClassInitialized(Class<?> c);

Unsafe 从指定位置读取

// 从指定内存地址处开始读取一个byte
public native byte getByte(long var1);
// 从指定内存地址处开始读取一个short
public native short getShort(long var1);
// 从指定内存地址处开始读取一个char
public native char getChar(long var1);
// 从指定内存地址处开始读取一个int
public native int getInt(long var1);
// 从指定内存地址处开始读取一个long
public native long getLong(long var1);
// 从指定内存地址处开始读取一个float
public native float getFloat(long var1);
// 从指定内存地址处开始读取一个double
public native double getDouble(long var1);

Unsafe 向指定位置写值

// 向指定位置写入一个int
public native void putInt(long var1, int var3);
// 向指定位置写入一个char
public native void putChar(long var1, char var3);
// 向指定位置写入一个byte
public native void putByte(long var1, byte var3);
// 向指定位置写入一个short
public native void putShort(long var1, short var3);
// 向指定位置写入一个long
public native void putLong(long var1, long var3);
// 向指定位置写入一个float
public native void putFloat(long var1, float var3);
// 向指定位置写入一个double
public native void putDouble(long var1, double var3);

Unsafe 对象操作

从指定偏移量处读取对象属性(非主存)

public native int getInt(Object var1, long var2);
public native Object getObject(Object var1, long var2);
public native boolean getBoolean(Object var1, long var2);
public native byte getByte(Object var1, long var2);
public native short getShort(Object var1, long var2);
public native char getChar(Object var1, long var2);
public native long getLong(Object var1, long var2);
public native float getFloat(Object var1, long var2);
public native double getDouble(Object var1, long var2);

向指定偏移量处修改对象属性(非主存)

public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);
public native void putObject(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putBoolean(Object var1, long var2, boolean var4);
public native void putByte(Object var1, long var2, byte var4);
public native void putShort(Object var1, long var2, short var4);
public native void putChar(Object var1, long var2, char var4);
public native void putLong(Object var1, long var2, long var4);
public native void putFloat(Object var1, long var2, float var4);
public native void putDouble(Object var1, long var2, double var4);

向指定偏移量处修改对象属性(主存)

public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
public native boolean getBooleanVolatile(Object var1, long var2);
public native byte getByteVolatile(Object var1, long var2);
public native short getShortVolatile(Object var1, long var2);
public native char getCharVolatile(Object var1, long var2);
public native long getLongVolatile(Object var1, long var2);
public native float getFloatVolatile(Object var1, long var2);
public native double getDoubleVolatile(Object var1, long var2);

向指定偏移量处修改对象属性(主存)

public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putIntVolatile(Object var1, long var2, int var4);
public native void putBooleanVolatile(Object var1, long var2, boolean var4);
public native void putByteVolatile(Object var1, long var2, byte var4);
public native void putShortVolatile(Object var1, long var2, short var4);
public native void putCharVolatile(Object var1, long var2, char var4);
public native void putLongVolatile(Object var1, long var2, long var4);
public native void putFloatVolatile(Object var1, long var2, float var4);
public native void putDoubleVolatile(Object var1, long var2, double var4);
public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);
public native void putOrderedLong(Object var1, long var2, long var4);

Unsafe CAS操作

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

针对对象进行CAS操作，本质更新对象中指定偏移量的属性，当原值为var4时才会更新成var5并返回true，否则返回false。
举例：volatile i=0；有多个线程修改i的值，A线程只有在i=1时修改为2，如果代码如下

if (i == 1) {i = 2;} 

这样时有问题的，if比较完i可能已经被别人修改了，这种场景特别适合CAS，使用CAS代码如下

boolean isUpdate =  compareAndSwapInt(object, offset, 1, 2)

相当于读->判断->写一次搞定（实在不能理解CAS，可以这么理解）

Unsafe 线程的挂起和恢复

public native void park(boolean var1, long var2);

阻塞当前线程直到一个unpark方法出现(被调用)、一个用于unpark方法已经出现过(在此park方法调用之前已经调用过)、线程被中断或者time时间到期(也就是阻塞超时)。在time非零的情况下，如果isAbsolute为true，time是相对于新纪元之后的毫秒，否则time表示纳秒。这个方法执行时也可能不合理地返回(没有具体原因)。并发包java.util.concurrent中的框架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。

public native void unpark(Object var1);

释放被park创建的在一个线程上的阻塞。这个方法也可以被使用来终止一个先前调用park导致的阻塞。这个操作是不安全的，因此必须保证线程是存活的(thread has not been destroyed)。从Java代码中判断一个线程是否存活的是显而易见的，但是从native代码中这机会是不可能自动完成的。

Unsafe 内存屏障

public native void loadFence();

在该方法之前的所有读操作，一定在load屏障之前执行完成。

public native void storeFence();

在该方法之前的所有写操作，一定在store屏障之前执行完成

public native void fullFence();

在该方法之前的所有读写操作，一定在full屏障之前执行完成，这个内存屏障相当于上面两个(load屏障和store屏障)的合体功能。

Unsafe 其他

public native int getLoadAverage(double[] loadavg, int nelems);

获取系统的平均负载值，loadavg这个double数组将会存放负载值的结果，nelems决定样本数量，nelems只能取值为1到3，分别代表最近1、5、15分钟内系统的平均负载。如果无法获取系统的负载，此方法返回-1，否则返回获取到的样本数量(loadavg中有效的元素个数)。实验中这个方法一直返回-1，其实完全可以使用JMX中的相关方法替代此方法。

public native void throwException(Throwable ee);

绕过检测机制直接抛出异常。

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