神奇的Unsafe，你get了嗎

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簡介

Unsafe是jdk提供的一個直接訪問操作系統資源的工具類（底層c++實現），它可以直接分配內存，內存複製，copy，提供cpu級別的CAS樂觀鎖等操作。它的目的是爲了增強java語言直接操作底層資源的能力，無疑帶來很多方便。但是，使用的同時就得額外小心！它的總體作用如下（圖片來源網絡）：

Unsafe位於sun.misc包下，jdk中的併發編程包juc(java.util.concurrent)基本全部靠Unsafe實現，由此可見其重要性。

基本使用

Unsafe被設計爲單例，並且只允許被引導類加載器（BootstrapClassLoader)加載的類使用：

所以我們自己寫的類是無法直接通過Unsafe.getUnsafe()獲取的。當然，既然是java代碼，我們就可以使用一點歪道，比如通過反射直接new一個或者將其內部靜態成員變量theUnsafe獲取出來：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    // method 1
    Class<Unsafe> unsafeClass = Unsafe.class;
    Constructor<Unsafe> constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe1 = constructor.newInstance();
    System.out.println(unsafe1);

    // method2
    Field theUnsafe = unsafeClass.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafe.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe2 = (Unsafe) theUnsafe.get(null);
    System.out.println(unsafe2);
}

現在我們能夠在自己代碼裏面使用Unsafe了，接下來看下它的使用以及jdk使用操作的。

CAS

CAS譯爲Compare And Swap，它是樂觀鎖的一種實現。假設內存值爲v，預期值爲e，想要更新成得值爲u，當且僅當內存值v等於預期值e時，纔將v更新爲u。這樣可以有效避免多線程環境下的同步問題。

在unsafe中，實現CAS算法通過cpu的原子指令cmpxchg實現，它對應的方法如下：

簡單介紹下它使用的參數，var1爲內存中要操作的對象，var2爲要操作的值的內存地址偏移量，var4爲預期值，var5爲想要更新成的值。

爲了方便理解，舉個栗子。類User有一個成員變量name。我們new了一個對象User後，就知道了它在內存中的起始值,而成員變量name在對象中的位置偏移是固定的。這樣通過這個起始值和這個偏移量就能夠定位到name在內存中的具體位置。

所以我們現在的問題就是如何得出name在對象User中的偏移量，Unsafe自然也提供了相應的方法：

他們分別爲獲取靜態成員變量，成員變量的方法，所以我們可以使用unsafe直接更新內存中的值：

public class UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafe.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

        User user = new User("jsbintask");
        long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(User.class.getDeclaredField("name"));
        unsafe.compareAndSwapObject(user, nameOffset, "jsbintask1", "jsbintask2");
        System.out.println("第一次更新後的值：" + user.getName());
        unsafe.compareAndSwapObject(user, nameOffset, "jsbintask", "jsbintask2");
        System.out.println("第二次更新後的值：" + user.getName());
    }
}

class User {
    private String name;

    public User(String name) {
        this.name = name;
    }

    public String getName() {
        return name;
    }
}

因爲內存中name的值爲"jsbintask",而第一次使用compareAndSwapObject方法預期值爲"jsbintask1"，這顯然是不相等的，所以第一次更新失敗，第二次我們傳入了正確的預期值，更新成功！

如果我們分析juc包下的Atomic開頭的原子類就會發現，它內部的原子操作全部來源於unsafe的CAS方法，比如AtomicInteger的getAndIncrement方法，內部直接調用unsafe的getAndAddInt方法，它的實現原理爲：cas失敗，就循環，直到成功爲止，這就是我們所說的自旋鎖！

內存分配

Unsafe還給我們提供了直接分配內存，釋放內存，拷貝內存，內存設置等方法，值得注意的是，這裏的內存指的是堆外內存！它是不受jvm內存模型掌控的，所以使用需要及其小心：

//分配內存, 相當於C++的malloc函數
public native long allocateMemory(long bytes);
//釋放內存
public native void freeMemory(long address);
//在給定的內存塊中設置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//內存拷貝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
//爲給定地址設置值，忽略修飾限定符的訪問限制，與此類似操作還有: putInt,putDouble，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);

我們可以寫一段代碼驗證一下：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafe.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

    // 分配 10M的堆外內存
    long _10M_Address = unsafe.allocateMemory(1 * 1024 * 1024 * 10);
    // 將10M內存的 前面1M內存值設置爲10
    unsafe.setMemory(_10M_Address, 1 * 1024 * 1024 * 1, (byte) 10);
    // 獲取第1M內存的值： 10
    System.out.println(unsafe.getByte(_10M_Address + 1000));
    // 獲取第1M內存後的值： 0（沒有設置）
    System.out.println(unsafe.getByte(_10M_Address + 1 * 1024 * 1024 * 5));
}

我們分配了10M內存，並且將前1M內存的值設置爲了10，取出了內存中的值進行比較，驗證了unsafe的方法。

堆外內存不受jvm內存模型掌控，在nio（netty，mina）中大量使用對外內存進行管道傳輸，copy等，使用它們的好處如下：

對垃圾回收停頓的改善。由於堆外內存是直接受操作系統管理而不是JVM，所以當我們使用堆外內存時，即可保持較小的堆內內存規模。從而在GC時減少回收停頓對於應用的影響。
提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信過程中，會存在堆內內存到堆外內存的數據拷貝操作，對於需要頻繁進行內存間數據拷貝且生命週期較短的暫存數據，都建議存儲到堆外內存。
而在jdk中，堆外內存對應的類爲DirectByteBuffer，它內部也是通過unsafe分配的內存:

這裏值得注意的是，對外內存的回收藉助了Cleaner這個類。

線程調度

通過Unsafe還可以直接將某個線程掛起，這和調用Object.wait()方法作用是一樣的，但是效率確更高！

我們熟知的AQS(AbstractQueuedSynchronizer)內部掛起線程使用了LockSupport方法，而LockSupport內部依舊使用的是Unsafe：

我們同樣可以寫一段代碼驗證：

public static void main(String[] args) throws Exception {
    Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
    theUnsafe.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null);

    Thread t1 = new Thread(() -> {
        for (int i = 0; i < 10; i++) {
            if (i == 5) {
                // i == 5時，將當前線程掛起
                unsafe.park(false, 0L);
            }
            System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " printing i : " + i);
        }
    }, " Thread__Unsafe__1");

    t1.start();

    // 主線程休息三秒
    Thread.sleep(3000L);
    for (int i = 0; i < 10; i++) {
        System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " printing i : " + i);
        if (i == 9) {
            // 將線程 t1 喚醒
            unsafe.unpark(t1);
        }
    }

    System.in.read();
}

當線程t1運行到i=5時，被掛起，主線程執行，而主線程運行到i=9時，將t1喚醒，t1繼續打印！在park出debug可以觀察t1線程的狀態：

數組操作

對於數組，Unsafe提供了特別的方法返回不同類型數組在內存中的偏移量：

arrayBaseOffset方法返回數組在內存中的偏移量，這個值是固定的。arrayIndexScale返回數組中的每一個元素的內存地址換算因子。舉個栗子，double數組（注意不是包裝類型）每個元素佔用8個字節，所以換算因子爲8，int類型則爲4，通過這兩個方法我們就能定位數組中每個元素的內存地址，從而賦值，下面代碼演示：

public static void main(String[] args) throws Exception{
    Class<Unsafe> unsafeClass = Unsafe.class;
    Constructor<Unsafe> constructor = unsafeClass.getDeclaredConstructor();
    constructor.setAccessible(true);
    Unsafe unsafe = constructor.newInstance();

    Integer[] integers = new Integer[10];
    // 打印數組的原始值
    System.out.println(Arrays.toString(integers));
    // 獲取Integer數組在內存中的固定的偏移量
    long arrayBaseOffset = unsafe.arrayBaseOffset(Integer[].class);
    System.out.println(unsafe.arrayIndexScale(Integer[].class));
    System.out.println(unsafe.arrayIndexScale(double[].class));
    // 將數組中第一個元素的更新爲100
    unsafe.putObject(integers, arrayBaseOffset, 100);
    // 將數組中第五個元素更新爲50  注意 引用類型佔用4個字節，所以內存地址 需要 4 * 4 = 16
    unsafe.putObject(integers, arrayBaseOffset + 16, 50);
    // 打印更新後的值
    System.out.println(Arrays.toString(integers));
}

我們通過獲取Integer數組的內存偏移量，結合換算因子將第一個元素，第五個元素分別替換爲了100，50。驗證了我們的說法。

數組的原子操作，juc包也已經提供了相應的工具類，比如AtomicIntegerArray內部就是同過Unsafe的上述方法實現了數組的原子操作。
[圖片上傳失敗...(image-3d8cc-1557067323454)]

其它操作

Unsafe還提供了操作系統級別的方法如獲取內存頁的大小public native int pageSize();，獲取系統指針大小public native int addressSize();
jdk8還加入了新的方法，內存屏障，它的目的是爲了防止指令重排序（編譯器爲了優化速度，會在保證單線程不出錯的情況下將某些代碼的順序調換，比如先分配內存，或者先返回引用等，這樣在多線程環境下就會出錯）：

//內存屏障，禁止load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障後，屏障後的load操作不能被重排序到屏障前
public native void loadFence();
//內存屏障，禁止store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障後，屏障後的store操作不能被重排序到屏障前
public native void storeFence();
//內存屏障，禁止load、store操作重排序
public native void fullFence();

jdk1.8引入的StampedLock就是基於此實現的樂觀讀寫鎖.
另外，jdk1.8引入了lambda表達式，它其實會幫我們調用Unsafe的public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> var1, byte[] var2, Object[] var3);方法生成匿名內部類，如下面的代碼：

public class UnsafeTest2 {
    public static void main(String[] args) {
        Function<String, Integer> function = Integer::parseInt;
        System.out.println(function.apply("100"));
    }
}

查看字節碼：

發現它調用了LambdaMetafactory.metafactory方法，最終調用了InnerClassLambdaMetafactory的spinInnerClass方法：

總結

通過反射可以獲取Unsafe類的實例，他可以幫助我們進行堆外內存操作，內存copy，內存複製，線程掛起，提供了cpu級別的cas原子操作。另外還有lambda的匿名內部類的生成，數組內存操作等。juc包基本全部基於此類實現！

關注我，這裏只有乾貨！

神奇的Unsafe，你get了嗎

簡介

基本使用

CAS

內存分配

線程調度

數組操作

其它操作

總結

netty極簡教程（七）：Netty中的Selector是如何配合NioEventLoop工作的

netty極簡教程（六）：Netty是如何屏蔽ServerSocketChannel啓動的

netty極簡教程（五）：Netty的Reactor模型演進及JDK nio聊天室實現

netty極簡教程（四）：Selector事件驅動以及SocketChannel的使用

netty極簡教程（二）： nio Buffer的原理及使用

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