Java的Unsafe类

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最近在看Java并发包的源码，发现了神奇的Unsafe类，仔细研究了一下，在这里跟你们分享一下。

Unsafe类是在sun.misc包下，不属于Java标准。可是不少Java的基础类库，包括一些被普遍使用的高性能开发库都是基于Unsafe类开发的，好比Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe类在提高Java运行效率，加强Java语言底层操做能力方面起了很大的做用。

Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针同样操做内存空间的能力，同时也带来了指针的问题。过分的使用Unsafe类会使得出错的概率变大，所以Java官方并不建议使用的，官方文档也几乎没有。Oracle正在计划从Java 9中去掉Unsafe类，若是真是如此影响就太大了。

一般咱们最好也不要使用Unsafe类，除非有明确的目的，而且也要对它有深刻的了解才行。要想使用Unsafe类须要用一些比较tricky的办法。Unsafe类使用了单例模式，须要经过一个静态方法getUnsafe()来获取。但Unsafe类作了限制，若是是普通的调用的话，它会抛出一个SecurityException异常；只有由主类加载器加载的类才能调用这个方法。其源码以下：

1 public static Unsafe getUnsafe() {
2     Class var0 = Reflection.getCallerClass();
3     if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
4         throw new SecurityException("Unsafe");
5     } else {
6         return theUnsafe;
7     }
8 }

 

网上也有一些办法来用主类加载器加载用户代码，好比设置bootclasspath参数。但更简单方法是利用Java反射，方法以下：

1 Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
2 f.setAccessible(true);
3 Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

 

获取到Unsafe实例以后，咱们就能够随心所欲了。Unsafe类提供了如下这些功能：

1、内存管理。包括分配内存、释放内存等。

该部分包括了allocateMemory（分配内存）、reallocateMemory（从新分配内存）、copyMemory（拷贝内存）、freeMemory（释放内存 ）、getAddress（获取内存地址）、addressSize、pageSize、getInt（获取内存地址指向的整数）、getIntVolatile（获取内存地址指向的整数，并支持volatile语义）、putInt（将整数写入指定内存地址）、putIntVolatile（将整数写入指定内存地址，并支持volatile语义）、putOrderedInt（将整数写入指定内存地址、有序或者有延迟的方法）等方法。getXXX和putXXX包含了各类基本类型的操做。

利用copyMemory方法，咱们能够实现一个通用的对象拷贝方法，无需再对每个对象都实现clone方法，固然这通用的方法只能作到对象浅拷贝。

2、很是规的对象实例化。

allocateInstance()方法提供了另外一种建立实例的途径。一般咱们能够用new或者反射来实例化对象，使用allocateInstance()方法能够直接生成对象实例，且无需调用构造方法和其它初始化方法。

这在对象反序列化的时候会颇有用，可以重建和设置final字段，而不须要调用构造方法。

3、操做类、对象、变量。

这部分包括了staticFieldOffset（静态域偏移）、defineClass（定义类）、defineAnonymousClass（定义匿名类）、ensureClassInitialized（确保类初始化）、objectFieldOffset（对象域偏移）等方法。

经过这些方法咱们能够获取对象的指针，经过对指针进行偏移，咱们不只能够直接修改指针指向的数据（即便它们是私有的），甚至能够找到JVM已经认定为垃圾、能够进行回收的对象。

4、数组操做。

这部分包括了arrayBaseOffset（获取数组第一个元素的偏移地址）、arrayIndexScale（获取数组中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用，就能够定位数组中每一个元素在内存中的位置。

因为Java的数组最大值为Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe类的内存分配方法能够实现超大数组。实际上这样的数据就能够认为是C数组，所以须要注意在合适的时间释放内存。

5、多线程同步。包括锁机制、CAS操做等。

这部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。

其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已经被标记为deprecated，不建议使用。

Unsafe类的CAS操做多是用的最多的，它为Java的锁机制提供了一种新的解决办法，好比AtomicInteger等类都是经过该方法来实现的。compareAndSwap方法是原子的，能够避免繁重的锁机制，提升代码效率。这是一种乐观锁，一般认为在大部分状况下不出现竞态条件，若是操做失败，会不断重试直到成功。

6、挂起与恢复。

这部分包括了park、unpark等方法。

将一个线程进行挂起是经过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark能够终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操做被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各类版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。

7、内存屏障。

这部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。这是在Java 8新引入的，用于定义内存屏障，避免代码重排序。

loadFence() 表示该方法以前的全部load操做在内存屏障以前完成。同理storeFence()表示该方法以前的全部store操做在内存屏障以前完成。fullFence()表示该方法以前的全部load、store操做在内存屏障以前完成。