Java直接内存访问的技巧

Java直接内存访问的技巧

Feb262013

做者：逍遥冲   发布：2013-02-26 21:35   分类：JavaSE   阅读：23,814 浏览数   1条评论  

Java被设计成一个安全，可管理的环境，然而 Java HotSpot有一个后门，提供了对低级别的，对直接内存和线程的操做。这个后门是—-sun.misc.Unsafe。这个类在JDK中有普遍的应用，例如，java.nio和java.util.concurrent。很难想象在平常开发中使用这些危险的，不可移植和未经校验的API。然而,Unsafe提供一种简单的方法来观察HotSpot JVM内部的一些技巧。

获取Unsafe

sun.misc.Unsafe这个类的访问是受限的，它的构造方法是私有的，相应的工厂方法要求必须被Bootloader载入才能使用，也就是说，只有JDK内部分才能使用这个工厂方法来构造Unsafe对象。

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public final class Unsafe {     ...     private Unsafe() {}     private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();     ...     public static Unsafe getUnsafe() {        Class cc = sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);        if (cc.getClassLoader() != null)            throw new SecurityException("Unsafe");        return theUnsafe;     }     ... }

幸运地是，有一个theUnsafe属性能够被利用来检索Unsafe实例，咱们能够见到的写一个反射方法，来获取Unsafe实例：

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public static Unsafe getUnsafe() { try { Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); f.setAccessible(true); return (Unsafe)f.get(null); } catch (Exception e) { /* ... */ } }

下面将学习一些Unsafe的方法。

1.long getAddress(long address) 和void putAddress(long address, long x) 
对直接内存进行读写。

2.int getInt(Object o, long offset) , void putInt(Object o, long offset, int x)

另外一个相似的方法对直接内存进行读写，将C语言的结构体和Java对象进行转换。

3.long allocateMemory(long bytes)

这个能够看作是C语言的malloc()函数的一种包装。

sizeof()函数

Java对象的结构以下图所示：

第一个技巧，是模拟C语言的sizefo()函数，这个函数返回对象的字节大小。咱们能够用以下的代码实现sizeof()函数：

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public static long sizeOf(Object object) {    Unsafe unsafe = getUnsafe();    return unsafe.getAddress( normalize( unsafe.getInt(object, 4L) ) + 12L ); }   public static long normalize(int value) {    if(value >= 0) return value;    return (~0L >>> 32) & value; }

咱们须要使用normalize()函数，由于若是内存地址若是在2^31和2^32之间，将会自动的覆盖邻近的整型，也就是说用补码的方式进行存储。让咱们在32位JVM（JDK6或者7）中进行测试：

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// 执行sizeOf(new MyStructure())获得以下的结果:   class MyStructure { } // 8: 4 (起始标记) + 4 (指向类的指针) class MyStructure { int x; } // 16: 4 (起始标记) + 4 (指向类的指针) + 4 (int) + 4 填充字节用来对齐64位块 class MyStructure { int x; int y; } // 16: 4 (起始标记) + 4 (指向类的指针) + 2*4

直接内存管理

Unsafe容许经过allcateMemory和freeMemory方法对内存进行显示的分配和回收，直接分配的内存不在GC的控制内，而且不受限于JVM堆的大小。一般，经过NIO的脱离堆约束的缓冲，这些方法是安全有效的，可是有趣的是这让标准的Java引用映射非堆内存变成了可能：

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MyStructure structure = new MyStructure(); // create a test object structure.x = 777;   long size = sizeOf(structure); long offheapPointer = getUnsafe().allocateMemory(size); getUnsafe().copyMemory(                 structure,      // source object                 0,              // source offset is zero - copy an entire object                 null,           // destination is specified by absolute address, so destination object is null                 offheapPointer, // destination address                 size ); // test object was copied to off-heap   Pointer p = new Pointer(); // Pointer is just a handler that stores address of some object long pointerOffset = getUnsafe().objectFieldOffset(Pointer.class.getDeclaredField("pointer")); getUnsafe().putLong(p, pointerOffset, offheapPointer); // set pointer to off-heap copy of the test object   structure.x = 222; // rewrite x value in the original object System.out.println(  ((MyStructure)p.pointer).x  ); // prints 777   ....   class Pointer {     Object pointer; }

因此，事实上是能够对真实对象进行内存分配和回收的，不仅仅只是NIO中的字节缓冲。固然，有一个比较大的问题是，GC将会在这样的内存欺骗以后发生。

继承自Final类和void*

想象一下有一个以String为参数的方法，但它须要经行外部的重载。具体代码以下：

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Carrier carrier = new Carrier(); carrier.secret = 777;   String message = (String)(Object)carrier; // ClassCastException handler( message );   ...   void handler(String message) {    System.out.println( ((Carrier)(Object)message).secret ); }   ...   class Carrier {    int secret; }

为了让这段代码能工做，首先须要更改Carrier类去假装成String的子类。superclasses列表被存储在Carrier类结构体28的位置，如上文图中所示。原则上，添加以下的代码可让Carrer转化成String：

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long carrierClassAddress = normalize( unsafe.getInt(carrier, 4L) ); long stringClassAddress = normalize( unsafe.getInt("", 4L) ); unsafe.putAddress(carrierClassAddress + 32, stringClassAddress); // insert pointer to String class to the list of Carrier's superclasses

这样，类型转化能够正常工做。然而，这样的转换方式是不切当而且违反虚拟机规范的。更详细的方法将包含以下的步骤：

1.在Carrier类中32的位置实际上包含了一个指向Carrier类本身的指针，因此这个指针将被转移到36的位置上，不单单是被指针重写到String类。

2.当Carrier继承自String的时候，String类的final标记将被移掉。

结论

sun.misc.Unsafe提供了几乎是不受限制的监控和修改虚拟机运行时数据结构的能力。尽管这些能力几乎是和Java开发自己不相干的，可是对于想要学习HotSpot虚拟机可是没有C++代码调试，或者须要去建立特别的分析工具的人来讲，Unsafe是一个伟大的工具。

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