Java中的Unsafe

目錄

獲取Unsafe

主要功能

普通讀寫

讀寫一個Object屬性的相關方法

Unsafe還可以直接在一個地址上讀寫

volatile讀寫

有序寫入

直接內存操作

CAS相關

偏移量相關

線程調度

類加載

內存屏障

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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內存區域，不能像C++中那樣可以自己申請內存和釋放內存。Java中的Unsafe類爲我們提供了類似C++手動管理內存的能力。

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序員來說是“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。且構造函數是private的：

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

    private static native void registerNatives();
    // 構造函數是private的，不允許外部實例化
    private Unsafe() {
    }
    ...
}

因此我們無法在外部對Unsafe進行實例化。

獲取Unsafe

Unsafe無法實例化，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;
}

主要功能

Unsafe的功能如下圖：

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);

getInt用於從對象的指定偏移地址處讀取一個int。putInt用於在對象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);

getByte用於從指定內存地址處開始讀取一個byte。putByte用於從指定內存地址寫入一個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);

getIntVolatile方法用於在對象指定偏移地址處volatile讀取一個int。putIntVolatile方法用於在對象指定偏移地址處volatile寫入一個int。

volatile讀寫相對普通讀寫是更加昂貴的，因爲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，就是說一個線程的寫入不保證其他線程立馬可見。

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);

直接內存操作

我們都知道Java不可以直接對內存進行操作，對象內存的分配和回收都是由JVM幫助我們實現的。但是Unsafe爲我們在Java中提供了直接操作內存的能力。

// 分配內存
public native long allocateMemory(long var1);
// 重新分配內存
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 內存初始化
public native void setMemory(long var1, long var3, byte var5);
// 內存複製
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除內存
public native void freeMemory(long var1);

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);

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);

staticFieldOffset方法用於獲取靜態屬性Field在對象中的偏移量，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在對象實例中的偏移量，讀寫對象的非靜態屬性時會用到這個偏移量。staticFieldBase方法用於返回Field所在的對象。arrayBaseOffset方法用於返回數組中第一個元素實際地址相對整個數組對象的地址的偏移量。arrayIndexScale方法用於計算數組中第一個元素所佔用的內存空間。

線程調度

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);

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線程。LockSupport中的park和unpark方法正是通過Unsafe來實現的：

// 掛起線程
public static void park(Object blocker) {
    Thread t = Thread.currentThread();
    setBlocker(t, blocker); // 通過Unsafe的putObject方法設置阻塞阻塞當前線程的blocker
    UNSAFE.park(false, 0L); // 通過Unsafe的park方法來阻塞當前線程，注意此方法將當前線程阻塞後，當前線程就不會繼續往下走了，直到其他線程unpark此線程
    setBlocker(t, null); // 清除blocker
}

// 喚醒線程
public static void unpark(Thread thread) {
    if (thread != null)
        UNSAFE.unpark(thread);
}

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。

類加載

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);

• defineClass方法定義一個類，用於動態地創建類。
• defineAnonymousClass用於動態的創建一個匿名內部類。
• allocateInstance方法用於創建一個類的實例，但是不會調用這個實例的構造方法，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。

內存屏障

public native void loadFence();

public native void storeFence();

public native void fullFence();

• 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。