1.Unsafe類簡介

Unsafe類是在sun.misc包下，不屬于Java標(biāo)準(zhǔn)底哗。但是很多Java的基礎(chǔ)類庫默伍，包括一些被廣泛使用的高性能開發(fā)庫都是基于Unsafe類開發(fā)的邮利，比如Netty芹缔、Cassandra、Hadoop、Kafka等。Unsafe類在提升Java運(yùn)行效率宁炫，增強(qiáng)Java語言底層操作能力方面起了很大的作用。
Unsafe類使Java擁有了像C語言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力击吱，同時也帶來了指針的問題淋淀。過度的使用Unsafe類會使得出錯的幾率變大遥昧，因此Java官方并不建議使用的覆醇，官方文檔也幾乎沒有。
Unsafe類包路徑變化
1.8之前Unsafe的包路徑為：

package sun.misc;

而到了java9炭臭，它的包路徑改成了下面這個永脓，說明這個類已經(jīng)開放使用。

package jdk.internal.misc;

獲取Unsafe實(shí)例方式
1.8之前Unsafe是不公開的類鞋仍，只能通過反射或者使用系統(tǒng)類加載器使用常摧，利用反射的使用方式如下。這里不再詳細(xì)分析威创。

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

而到了java9落午，Unsafe包含了一個靜態(tài)方法，可以直接拿到theUnsafe對象肚豺。如下溃斋。

/**
 * 給調(diào)用者提供執(zhí)行不安全操作的能力
 */
public static Unsafe getUnsafe() {
    return theUnsafe;
}

2.Unsafe類功能分類

2.1 內(nèi)存管理。包括分配內(nèi)存吸申、釋放內(nèi)存等梗劫。

該部分包括了allocateMemory（分配內(nèi)存）、reallocateMemory（重新分配內(nèi)存）截碴、copyMemory（拷貝內(nèi)存）梳侨、freeMemory（釋放內(nèi)存）、getAddress（獲取內(nèi)存地址）日丹、addressSize走哺、pageSize、getInt（獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)）哲虾、getIntVolatile（獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)割坠，并支持volatile語義）、putInt（將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址）妒牙、putIntVolatile（將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址彼哼，并支持volatile語義）、putOrderedInt（將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址湘今、有序或者有延遲的方法）等方法敢朱。getXXX和putXXX包含了各種基本類型的操作。

利用copyMemory方法，我們可以實(shí)現(xiàn)一個通用的對象拷貝方法拴签，無需再對每一個對象都實(shí)現(xiàn)clone方法孝常，當(dāng)然這通用的方法只能做到對象淺拷貝。

2.2 非常規(guī)的對象實(shí)例化蚓哩。

allocateInstance()方法提供了另一種創(chuàng)建實(shí)例的途徑构灸。通常我們可以用new或者反射來實(shí)例化對象，使用allocateInstance()方法可以直接生成對象實(shí)例岸梨，且無需調(diào)用構(gòu)造方法和其它初始化方法喜颁。

這在對象反序列化的時候會很有用，能夠重建和設(shè)置final字段曹阔，而不需要調(diào)用構(gòu)造方法半开。

2.3 操作類、對象赃份、變量寂拆。

這部分包括了staticFieldOffset（靜態(tài)域偏移）、defineClass（定義類）抓韩、defineAnonymousClass（定義匿名類）纠永、ensureClassInitialized（確保類初始化）、objectFieldOffset（對象域偏移）等方法谒拴。

通過這些方法我們可以獲取對象的指針尝江，通過對指針進(jìn)行偏移，我們不僅可以直接修改指針指向的數(shù)據(jù)（即使它們是私有的）彪薛，甚至可以找到JVM已經(jīng)認(rèn)定為垃圾茂装、可以進(jìn)行回收的對象。

2.4 數(shù)組操作善延。

這部分包括了arrayBaseOffset（獲取數(shù)組第一個元素的偏移地址）少态、arrayIndexScale（獲取數(shù)組中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset與arrayIndexScale配合起來使用易遣，就可以定位數(shù)組中每個元素在內(nèi)存中的位置彼妻。

由于Java的數(shù)組最大值為Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe類的內(nèi)存分配方法可以實(shí)現(xiàn)超大數(shù)組豆茫。實(shí)際上這樣的數(shù)據(jù)就可以認(rèn)為是C數(shù)組侨歉，因此需要注意在合適的時間釋放內(nèi)存。

2.5 多線程同步揩魂。包括鎖機(jī)制幽邓、CAS操作等。

這部分包括了monitorEnter火脉、tryMonitorEnter牵舵、monitorExit柒啤、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法畸颅。

其中monitorEnter担巩、tryMonitorEnter、monitorExit已經(jīng)被標(biāo)記為deprecated没炒，不建議使用涛癌。

Unsafe類的CAS操作可能是用的最多的，它為Java的鎖機(jī)制提供了一種新的解決辦法送火，比如AtomicInteger等類都是通過該方法來實(shí)現(xiàn)的拳话。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的鎖機(jī)制漾脂，提高代碼效率假颇。這是一種樂觀鎖胚鸯，通常認(rèn)為在大部分情況下不出現(xiàn)競態(tài)條件骨稿，如果操作失敗，會不斷重試直到成功姜钳。

2.6 掛起與恢復(fù)坦冠。

這部分包括了park、unpark等方法哥桥。

將一個線程進(jìn)行掛起是通過park方法實(shí)現(xiàn)的辙浑，調(diào)用 park后，線程將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現(xiàn)拟糕。unpark可以終止一個掛起的線程判呕，使其恢復(fù)正常。整個并發(fā)框架中對線程的掛起操作被封裝在 LockSupport類中送滞，LockSupport類中有各種版本pack方法侠草，但最終都調(diào)用了Unsafe.park()方法。

2.7 內(nèi)存屏障犁嗅。

這部分包括了loadFence边涕、storeFence、fullFence等方法褂微。這是在Java 8新引入的功蜓，用于定義內(nèi)存屏障，避免代碼重排序宠蚂。

loadFence() 表示該方法之前的所有l(wèi)oad操作在內(nèi)存屏障之前完成式撼。同理storeFence()表示該方法之前的所有store操作在內(nèi)存屏障之前完成。fullFence()表示該方法之前的所有l(wèi)oad求厕、store操作在內(nèi)存屏障之前完成著隆。

3.ConcurrentHashMap中使用Unsafe

 // Unsafe mechanics
    private static final Unsafe U = Unsafe.getUnsafe();
    private static final long SIZECTL;
    private static final long TRANSFERINDEX;
    private static final long BASECOUNT;
    private static final long CELLSBUSY;
    private static final long CELLVALUE;
    private static final int ABASE;
    private static final int ASHIFT;

    static {

獲取ConcurrentHashMap類的域變量sizeCtl transferIndex等

        SIZECTL = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "sizeCtl");
        TRANSFERINDEX = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "transferIndex");
        BASECOUNT = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "baseCount");
        CELLSBUSY = U.objectFieldOffset
            (ConcurrentHashMap.class, "cellsBusy");

        CELLVALUE = U.objectFieldOffset
            (CounterCell.class, "value");

獲取ConcurrentHashMap類Node[]數(shù)組第一個元素的偏移地址ABASE叠洗，獲取數(shù)組中元素的增量地址scale

        ABASE = U.arrayBaseOffset(Node[].class);
        int scale = U.arrayIndexScale(Node[].class);
        if ((scale & (scale - 1)) != 0)
            throw new Error("array index scale not a power of two");
        ASHIFT = 31 - Integer.numberOfLeadingZeros(scale);

        // Reduce the risk of rare disastrous classloading in first call to
        // LockSupport.park: https://bugs.openjdk.java.net/browse/JDK-8074773
        Class<?> ensureLoaded = LockSupport.class;
    }

參考

1）說一說Java的Unsafe類
2）解析java9中的Unsafe

Java Unsafe類