Java中的Unsafe

zhong0316發表於2019-03-04
Java

Java和C++語言的一個重要區別就是Java中我們無法直接操作一塊記憶體區域，不能像C++中那樣可以自己申請記憶體和釋放記憶體。Java中的Unsafe類為我們提供了類似C++手動管理記憶體的能力。 Unsafe類，全限定名是sun.misc.Unsafe，從名字中我們可以看出來這個類對普通程式設計師來說是“危險”的，一般應用開發者不會用到這個類。

Unsafe類是"final"的，不允許繼承。且建構函式是private的:

public final class Unsafe {
    private static final Unsafe theUnsafe;
    public static final int INVALID_FIELD_OFFSET = -1;

    private static native void registerNatives();
    // 建構函式是private的，不允許外部例項化
    private Unsafe() {
    }
    ...
}
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因此我們無法在外部對Unsafe進行例項化。

獲取Unsafe

Unsafe無法例項化，那麼怎麼獲取Unsafe呢？答案就是通過反射來獲取Unsafe：

public Unsafe getUnsafe() throws IllegalAccessException {
    Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
    unsafeField.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
    return unsafe;
}
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主要功能

Unsafe的功能如下圖：

Unsafe-xmind

普通讀寫

通過Unsafe可以讀寫一個類的屬性，即使這個屬性是私有的，也可以對這個屬性進行讀寫。

讀寫一個Object屬性的相關方法

public native int getInt(Object var1, long var2);

public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);
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getInt用於從物件的指定偏移地址處讀取一個int。putInt用於在物件指定偏移地址處寫入一個int。其他的primitive type也有對應的方法。

Unsafe還可以直接在一個地址上讀寫

public native byte getByte(long var1);

public native void putByte(long var1, byte var3);
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getByte用於從指定記憶體地址處開始讀取一個byte。putByte用於從指定記憶體地址寫入一個byte。其他的primitive type也有對應的方法。

volatile讀寫

普通的讀寫無法保證可見性和有序性，而volatile讀寫就可以保證可見性和有序性。

public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);

public native void putIntVolatile(Object var1, long var2, int var4);
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getIntVolatile方法用於在物件指定偏移地址處volatile讀取一個int。putIntVolatile方法用於在物件指定偏移地址處volatile寫入一個int。

volatile讀寫相對普通讀寫是更加昂貴的，因為需要保證可見性和有序性，而與volatile寫入相比putOrderedXX寫入代價相對較低，putOrderedXX寫入不保證可見性，但是保證有序性，所謂有序性，就是保證指令不會重排序。

有序寫入

有序寫入只保證寫入的有序性，不保證可見性，就是說一個執行緒的寫入不保證其他執行緒立馬可見。

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);
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直接記憶體操作

我們都知道Java不可以直接對記憶體進行操作，物件記憶體的分配和回收都是由JVM幫助我們實現的。但是Unsafe為我們在Java中提供了直接操作記憶體的能力。

// 分配記憶體
public native long allocateMemory(long var1);
// 重新分配記憶體
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 記憶體初始化
public native void setMemory(long var1, long var3, byte var5);
// 記憶體複製
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除記憶體
public native void freeMemory(long var1);
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CAS相關

JUC中大量運用了CAS操作，可以說CAS操作是JUC的基礎，因此CAS操作是非常重要的。Unsafe中提供了int,long和Object的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);
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CAS一般用於樂觀鎖，它在Java中有廣泛的應用，ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue中都有用到CAS來實現樂觀鎖。

偏移量相關

public native long staticFieldOffset(Field var1);

public native long objectFieldOffset(Field var1);

public native Object staticFieldBase(Field var1);

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

public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);
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staticFieldOffset方法用於獲取靜態屬性Field在物件中的偏移量，讀寫靜態屬性時必須獲取其偏移量。objectFieldOffset方法用於獲取非靜態屬性Field在物件例項中的偏移量，讀寫物件的非靜態屬性時會用到這個偏移量。staticFieldBase方法用於返回Field所在的物件。arrayBaseOffset方法用於返回陣列中第一個元素實際地址相對整個陣列物件的地址的偏移量。arrayIndexScale方法用於計算陣列中第一個元素所佔用的記憶體空間。

執行緒排程

public native void unpark(Object var1);

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

public native void monitorEnter(Object var1);

public native void monitorExit(Object var1);

public native boolean tryMonitorEnter(Object var1);
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park方法和unpark方法相信看過LockSupport類的都不會陌生，這兩個方法主要用來掛起和喚醒執行緒。LockSupport中的park和unpark方法正是通過Unsafe來實現的：

// 掛起執行緒
public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker); // 通過Unsafe的putObject方法設定阻塞阻塞當前執行緒的blocker
    UNSAFE.park(false, 0L); // 通過Unsafe的park方法來阻塞當前執行緒，注意此方法將當前執行緒阻塞後，當前執行緒就不會繼續往下走了，直到其他執行緒unpark此執行緒
    setBlocker(t, null); // 清除blocker
}

// 喚醒執行緒
public static void unpark(Thread thread) {
    if (thread != null)
        UNSAFE.unpark(thread);
}
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monitorEnter方法和monitorExit方法用於加鎖，Java中的synchronized鎖就是通過這兩個指令來實現的。

類載入

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

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

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

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

public native void ensureClassInitialized(Class<?> var1);
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defineClass方法定義一個類，用於動態地建立類。 defineAnonymousClass用於動態的建立一個匿名內部類。 allocateInstance方法用於建立一個類的例項，但是不會呼叫這個例項的構造方法，如果這個類還未被初始化，則初始化這個類。 shouldBeInitialized方法用於判斷是否需要初始化一個類。 ensureClassInitialized方法用於保證已經初始化過一個類。

記憶體屏障

public native void loadFence();

public native void storeFence();

public native void fullFence();
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loadFence：保證在這個屏障之前的所有讀操作都已經完成。 storeFence：保證在這個屏障之前的所有寫操作都已經完成。 fullFence：保證在這個屏障之前的所有讀寫操作都已經完成。

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