死磕 java魔法類之Unsafe解析
問題
（1）Unsafe是什麼？
（2）Unsafe只有CAS的功能嗎？
（3）Unsafe為什麼是不安全的？
（4）怎麼使用Unsafe？
簡介
本章是java併發包專題的第一章，但是第一篇寫的卻不是java併發包中類，而是java中的魔法類sun.misc.Unsafe。
Unsafe為我們提供了訪問底層的機制，這種機制僅供java核心類庫使用，而不應該被普通使用者使用。
但是，為了更好地瞭解java的生態體系，我們應該去學習它，去了解它，不求深入到底層的C/C++程式碼，但求能瞭解它的基本功能。
獲取Unsafe的例項
檢視Unsafe的原始碼我們會發現它提供了一個getUnsafe()的靜態方法。
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
Class var0 = Reflection.getCallerClass();
if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
throw new SecurityException("Unsafe");
} else {
return theUnsafe;
}
}
但是，如果直接呼叫這個方法會丟擲一個SecurityException異常，這是因為Unsafe僅供java內部類使用，外部類不應該使用它。
那麼，我們就沒有方法了嗎？
當然不是，我們有反射啊！檢視原始碼，我們發現它有一個屬性叫theUnsafe，我們直接通過反射拿到它即可。
public class UnsafeTest {
public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);
}
}
使用Unsafe例項化一個類
假如我們有一個簡單的類如下：
class User {
int age;
public User() {
this.age = 10;
}
}
如果我們通過構造方法例項化這個類，age屬性將會返回10。
User user1 = new User(); // 列印10 System.out.println(user1.age);
如果我們呼叫Unsafe來例項化呢？
User user2 = (User) unsafe.allocateInstance(User.class); // 列印0 System.out.println(user2.age);
age將返回0，因為 Unsafe.allocateInstance() 只會給物件分配記憶體，並不會呼叫構造方法，所以這裡只會返回int型別的預設值0。
修改私有欄位的值
使用Unsafe的putXXX()方法，我們可以修改任意私有欄位的值。
public class UnsafeTest {
public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException, InstantiationException {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);
User user = new User();
Field age = user.getClass().getDeclaredField("age");
unsafe.putInt(user, unsafe.objectFieldOffset(age), 20);
// 列印20
System.out.println(user.getAge());
}
}
class User {
private int age;
public User() {
this.age = 10;
}
public int getAge() {
return age;
}
}
一旦我們通過反射呼叫得到欄位age，我們就可以使用Unsafe將其值更改為任何其他int值。（當然，這裡也可以通過反射直接修改）
丟擲checked異常
我們知道如果程式碼丟擲了checked異常，要不就使用try...catch捕獲它，要不就在方法簽名上定義這個異常，但是，通過Unsafe我們可以丟擲一個checked異常，同時卻不用捕獲或在方法簽名上定義它。
// 使用正常方式丟擲IOException需要定義在方法簽名上往外拋
public static void readFile() throws IOException {
throw new IOException();
}
// 使用Unsafe丟擲異常不需要定義在方法簽名上往外拋
public static void readFileUnsafe() {
unsafe.throwException(new IOException());
}
使用堆外記憶體
如果程序在執行過程中JVM上的記憶體不足了，會導致頻繁的進行GC。理想情況下，我們可以考慮使用堆外記憶體，這是一塊不受JVM管理的記憶體。
使用Unsafe的allocateMemory()我們可以直接在堆外分配記憶體，這可能非常有用，但我們要記住，這個記憶體不受JVM管理，因此我們要呼叫freeMemory()方法手動釋放它。
假設我們要在堆外建立一個巨大的int陣列，我們可以使用allocateMemory()方法來實現：
class OffHeapArray {
// 一個int等於4個位元組
private static final int INT = 4;
private long size;
private long address;
private static Unsafe unsafe;
static {
try {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) f.get(null);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
// 構造方法，分配記憶體
public OffHeapArray(long size) {
this.size = size;
// 引數位元組數
address = unsafe.allocateMemory(size * INT);
}
// 獲取指定索引處的元素
public int get(long i) {
return unsafe.getInt(address + i * INT);
}
// 設定指定索引處的元素
public void set(long i, int value) {
unsafe.putInt(address + i * INT, value);
}
// 元素個數
public long size() {
return size;
}
// 釋放堆外記憶體
public void freeMemory() {
unsafe.freeMemory(address);
}
}
在構造方法中呼叫allocateMemory()分配記憶體，在使用完成後呼叫freeMemory()釋放記憶體。
使用方式如下：
OffHeapArray offHeapArray = new OffHeapArray(4);
offHeapArray.set(0, 1);
offHeapArray.set(1, 2);
offHeapArray.set(2, 3);
offHeapArray.set(3, 4);
offHeapArray.set(2, 5); // 在索引2的位置重複放入元素
int sum = 0;
for (int i = 0; i < offHeapArray.size(); i++) {
sum += offHeapArray.get(i);
}
// 列印12
System.out.println(sum);
offHeapArray.freeMemory();
最後，一定要記得呼叫freeMemory()將記憶體釋放回作業系統。
CompareAndSwap操作
JUC下面大量使用了CAS操作，它們的底層是呼叫的Unsafe的CompareAndSwapXXX()方法。這種方式廣泛運用於無鎖演算法，與java中標準的悲觀鎖機制相比，它可以利用CAS處理器指令提供極大的加速。
比如，我們可以基於Unsafe的compareAndSwapInt()方法構建執行緒安全的計數器。
class Counter {
private volatile int count = 0;
private static long offset;
private static Unsafe unsafe;
static {
try {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) f.get(null);
offset = unsafe.objectFieldOffset(Counter.class.getDeclaredField("count"));
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public void increment() {
int before = count;
// 失敗了就重試直到成功為止
while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, before, before + 1)) {
before = count;
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}
我們定義了一個volatile的欄位count，以便對它的修改所有執行緒都可見，並在類載入的時候獲取count在類中的偏移地址。
在increment()方法中，我們通過呼叫Unsafe的compareAndSwapInt()方法來嘗試更新之前獲取到的count的值，如果它沒有被其它執行緒更新過，則更新成功，否則不斷重試直到成功為止。
我們可以通過使用多個執行緒來測試我們的程式碼：
Counter counter = new Counter(); ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100); // 起100個執行緒，每個執行緒自增10000次 IntStream.range(0, 100) .forEach(i->threadPool.submit(()->IntStream.range(0, 10000) .forEach(j->counter.increment()))); threadPool.shutdown(); Thread.sleep(2000); // 列印1000000 System.out.println(counter.getCount());
park/unpark
JVM在上下文切換的時候使用了Unsafe中的兩個非常牛逼的方法park()和unpark()。
當一個執行緒正在等待某個操作時，JVM呼叫Unsafe的park()方法來阻塞此執行緒。
當阻塞中的執行緒需要再次執行時，JVM呼叫Unsafe的unpark()方法來喚醒此執行緒。
我們之前在分析java中的集合時看到了大量的LockSupport.park()/unpark()，它們底層都是呼叫的Unsafe的這兩個方法。
總結
使用Unsafe幾乎可以操作一切：
（1）例項化一個類；
（2）修改私有欄位的值；
（3）丟擲checked異常；
（4）使用堆外記憶體；
（5）CAS操作；
（6）阻塞/喚醒執行緒；
彩蛋
論例項化一個類的方式？
（1）通過構造方法例項化一個類；
（2）通過Class例項化一個類；
（3）通過反射例項化一個類；
（4）通過克隆例項化一個類；
（5）通過反序列化例項化一個類；
（6）通過Unsafe例項化一個類；
public class InstantialTest {
private static Unsafe unsafe;
static {
try {
Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
unsafe = (Unsafe) f.get(null);
} catch (NoSuchFieldException e) {
e.printStackTrace();
} catch (IllegalAccessException e) {
e.printStackTrace();
}
}
public static void main(String[] args) throws Exception {
// 1. 構造方法
User user1 = new User();
// 2. Class，裡面實際也是反射
User user2 = User.class.newInstance();
// 3. 反射
User user3 = User.class.getConstructor().newInstance();
// 4. 克隆
User user4 = (User) user1.clone();
// 5. 反序列化
User user5 = unserialize(user1);
// 6. Unsafe
User user6 = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
System.out.println(user1.age);
System.out.println(user2.age);
System.out.println(user3.age);
System.out.println(user4.age);
System.out.println(user5.age);
System.out.println(user6.age);
}
private static User unserialize(User user1) throws Exception {
ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D://object.txt"));
oos.writeObject(user1);
oos.close();
ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D://object.txt"));
// 反序列化
User user5 = (User) ois.readObject();
ois.close();
return user5;
}
static class User implements Cloneable, Serializable {
private int age;
public User() {
this.age = 10;
}
@Override
protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
return super.clone();
}
}
}
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