一個名為不安全的類Unsafe

小高飛發表於2020-11-10

最近為了更加深入瞭解NIO的實現原理，學習NIO的原始碼時，遇到了一個問題。即在WindowsSelectorImpl中的

pollWrapper屬性，當我點進去檢視它的PollArrayWrapper型別時，發現它和AllocatedNativeObject型別有關，而AllocatedNativeObject繼承了NativeObject類，隨著又發現了NativeObject是基於一個Unsafe類實現的。不安全的類？？？？

 

Unsafe

Unsafe，顧名思義，它真是一個不安全的類，那它為什麼是不安全的呢？這就要從Unsafe類的功能說起。

學過C#的就可以知道，C#和Java的一個重要區別就是：C#可以直接操作一塊記憶體區域，如自己申請記憶體和釋放，而在Java中這是做不到的。而Unsafe類就可以讓我們在Java中像C#一樣去直接操作一塊記憶體區域，正因為Unsafe類可以直接操作記憶體，意味著其速度更快，在高併發的條件之下能夠很好地提高效率，所以java中很多併發框架，如Netty，都使用了Unsafe類。

雖然，Unsafe可以提高執行速度，但是因為Java本身是不支援自己直接操作記憶體的，這就意味著Unsafe類所做的操作不受jvm管理的，所以不會被GC(垃圾回收)，需要我們手動GC，稍有不慎就會出現記憶體洩漏問題。且Unsafe的不少方法中必須提供原始地址(記憶體地址)和被替換物件的地址，偏移量要自己計算，一旦出現問題就是JVM崩潰級別的異常，會導致整個JVM例項崩潰。這就是為什麼Unsafe被稱為不安全的原因。Unsafe可以讓你全力踩油門，提高自己的速度，但是它會讓你的方向盤更難握穩，一不小心就可能導致車毀人亡。

原始碼檢視

初始化

因為Unsafe的構造方法是private型別的，所以無法通過new方式例項化獲取，只能通過它的getUnsafe()方法獲取。又因為Unsafe是直接操作記憶體的，為了安全起見，Java的開發人員為Unsafe的獲取設定了限制，所以想要獲取它只能通過Java的反射機制來獲取。

@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    //通過getCallerClass方法獲取Unsafe類
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    //如過該var0類不是啟動類載入器(Bootstrap)，則丟擲異常
    //正因為該判斷，所以Unsafe只能通過反射獲取
    if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
        throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
        return theUnsafe;
    }
}

  • Reflection.getCallerClass()：可以返回撥用類或Reflection類，或者層層上傳

  • VM.isSystemDomainLoader(ClassLoader var0)：判斷該類載入器是否是啟動類載入器(Bootstrap)。

  • @CallerSensitive：為了防止黑客通過雙重反射來提升許可權，所以所有跟反射相關的介面方法都標註上CallerSensitive

所以使用下面的方式是獲取不了Unsafe類的：

//使用這樣的方式獲取會丟擲異常，因為是通過系統類載入器載入(AppClassLoader)
public class Test {
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
    }
}

那怎麼才用使用啟動類載入Unsafe類並獲取它呢？在Unsafe類的最下面的static程式碼塊中有這樣一段程式碼：

private static final Unsafe theUnsafe;
//.....
static {
    registerNatives();
    Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, new String[]{"getUnsafe"});
    theUnsafe = new Unsafe();
    //......
}

學過反射機制看過以上程式碼就可以知道我們可以通過getDeclaredField()返回獲取Un safe類的theUnsafe屬性，然後通過該屬性獲取Unsafe類的例項，因為在Unsafe類裡的theUnsafe屬性已經被new例項化了。

public class Test {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        //通過getDeclaredField方法獲取Unsafe類中名為theUnsafe的屬性
        //注意，該屬性是private型別的，所以不能用getField獲取，只能用getDeclaredField
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        //將該屬性設為可訪問
        field.setAccessible(true);
        //例項該屬性並轉為Unsafe型別
        //因為theUnsafe屬性是Unsafe類所在的包的啟動類載入的，所以可以成功獲得
        Unsafe unsafe = (Unsafe)field.get(null);
    }
}

 

獲取偏移量方法

偏移量

在實際模式中，記憶體是被分成段的，如果想要獲取記憶體中的某個儲存單元，需知道儲存單元的所在段地址(段頭)和偏移量，即使你知道該儲存單元的實際地址。而偏移量就是實際地址與所在段地址(段頭)的距離，偏移量=實際地址-所在段地址(段頭)。

舉個例子，假設有個書架，我需要找由左到右、由上到下數的第1024本書，那我只能一本本的數，直到數到第1024本，但如果我知道書架的第4層的第一本書是第1000本書，那我只用從第1000本書開始數，數到1024，只需數1024-1000=24本。在這裡，書架是記憶體，要找的書就是儲存單元，書架的第4層就是記憶體段，第4層的第一本書即書架的第1000本書就是段地址(段頭)，第1024本書就是實際地址，而偏移量的就是第1000本書到第1024本書的距離24.

public native long objectFieldOffset(Field var1);

獲取非靜態變數var1的偏移量。

public native long staticFieldOffset(Field var1);

獲取靜態變數var1的偏移量。

public native Object staticFieldBase(Field var1);

獲取靜態變數var1的實際地址，配合staticFieldOffset方法使用，可求出變數所在的段地址

public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);

獲取陣列var1中的第一個元素的偏移量，即陣列的基礎地址。

在記憶體中，陣列的儲存是以一定的偏移量增量連續儲存的，如陣列的第一個元素的實際地址為24，偏移量為4，而陣列的偏移量增量為1，那陣列的第二個元素的實際地址就是25，偏移量為5.

public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

獲取陣列var1的偏移量增量。結合arrayBaseOffset(Class<?> var1)方法就可以求出陣列中各個元素的地址。

 

操作屬性方法

public native Object getObject(Object var1, long var2);

獲取var1物件中偏移量為var2的Object物件，該方法可以無視修飾符限制。相同方法有getInt、getLong、getBoolean等。

public native void putObject(Object var1, long var2, Object var4);

將var1物件中偏移量為var2的Object物件的值設為var4，該方法可以無視修飾符限制。相同的方法有putInt、putLong、putBoolean等。

public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);

功能與getObject(Object var1, long var2)一樣，但該方法可以保證讀寫的可見性和有序性，可以無視修飾符限制。相同的方法有getIntVolatile、getLongVolatile、getBooleanVolatile等。

public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);

功能與putObject(Object var1, long var2, Object var4)一樣，但該方法可以保證讀寫的可見性和有序性，可以無視修飾符限制。相同的方法有putIntVolatile、putLongVolatile、putBooleanVolatile等。

public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4);

功能與putObject(Object var1, long var2, Object var4)一樣，但該方法可以保證讀寫的有序性(不保證可見性)，可以無視修飾符限制。相同的方法有putOrderedInt、putOrderedLong等。

 

操作記憶體方法

public native int addressSize();

獲取本地指標大小，單位為byte，通常值為4或8。

public native int pageSize();

獲取本地記憶體的頁數，該返回值會是2的冪次方。

public native long allocateMemory(long var1);

開闢一塊新的記憶體塊，大小為var1(單位為byte)，返回新開闢的記憶體塊地址。

public native long reallocateMemory(long var1, long var3);

將記憶體地址為var3的記憶體塊大小調整為var1(單位為byte)，返回撥整後新的記憶體塊地址。

public native void setMemory(long var2, long var4, byte var6);

從實際地址var2開始將後面的位元組都修改為var6，修改大小為var4(通常為0)。

public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);

從物件var1中偏移量為var2的地址開始複製，複製到var4中偏移量為var5的地址，複製大小為var7。

當var1為空時，var2就不是偏移量而是實際地址，當var4為空時，var5就不是偏移量而是實際地址。

public native void freeMemory(long var1);

釋放實際地址為var1的記憶體。

 

執行緒掛起和恢復方法

public native void unpark(Object var1);

將被掛起的執行緒var1恢復，由於其不安全性，需保證執行緒var1是存活的。

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

當var2等於0時，執行緒會一直掛起，知道呼叫unpark方法才能恢復。

當var2大於0時，如果var1為false，這時var2為增量時間，即執行緒在被掛起var2秒後會自動恢復，如果var1為true，這時var2為絕對時間，即執行緒被掛起後，得到具體的時間var2後才自動恢復。

 

CAS方法

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

CAS機制相關操作，對物件var1裡偏移量為var2的變數進行CAS修改，var4為期待值，var5為修改值，返回修改結果。相同方法有compareAndSwapInt、compareAndSwapLong。

 

類載入方法

public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> var1);

判斷var1類是否被初始。

public native void ensureClassInitialized(Class<?> var1);

確保var1類已經被初始化。

public native Class<?> defineClass(String var1, byte[] var2, int var3, int var4, ClassLoader var5, ProtectionDomain var6);

定義一個類，用於動態的建立類。var1為類名，var2為類的檔案資料位元組陣列，var3為var2的輸入起點，var4為輸入長度，var5為載入該類的載入器，var6為保護領域。返回建立後的類。

public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> var1, byte[] var2, Object[] var3);

用於動態的建立匿名內部類。var1為需建立匿名內部類的類，var2為匿名內部類的檔案資料位元組陣列，var3為修補物件。返回建立後的匿名內部類。

public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;

建立var1類的例項，但是不會呼叫var1類的構造方法，如果var1類還沒有初始化，則進行初始化。返回建立例項物件。

 

記憶體屏障方法

public native void loadFence();

所有讀操作必須在loadFence方法執行前執行完畢。

public native void storeFence();

所有寫操作必須在storeFence方法執行前執行完畢。

public native void fullFence();

所有讀寫操作必須在fullFence方法執行前執行完畢。

 

疑惑

看到這裡可能有人會有一個疑惑，為什麼這些方法都沒有具體的功能實現程式碼呢？

在文章開頭時就說過，Java不支援直接操作記憶體，那怎麼可能用Java來具體實現功能呢。你可以發現Unsafe類內的大多方法都有native修飾符，native介面可以讓你呼叫本地的程式碼檔案（包括其他語言，如c語言），既然Java實現不了，那就讓能實現的人來做，所以Unsafe的底層實現語言其實是C語言，這也是為什麼Unsafe類內會有偏移量和指標這些Java中沒有的概念了。

 

(以上為本人自己對Unsafe類的理解，如果有錯誤，歡迎各位前輩指出)

 

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