Unsafe是位于sun.misc包下的一個類，主要提供一些用于執(zhí)行低級別、不安全操作的方法煞烫，如直接訪問系統(tǒng)內存資源、自主管理內存資源等累颂，這些方法在提升Java運行效率滞详、增強Java語言底層資源操作能力方面起到了很大的作用凛俱。但由于Unsafe類使Java語言擁有了類似C語言指針一樣操作內存空間的能力，這無疑也增加了程序發(fā)生相關指針問題的風險料饥。在程序中過度蒲犬、不正確使用Unsafe類會使得程序出錯的概率變大，使得Java這種安全的語言變得不再“安全”岸啡，因此對Unsafe的使用一定要慎重原叮。
注：本文對sun.misc.Unsafe公共API功能及相關應用場景進行介紹。
基本介紹
如下Unsafe源碼所示巡蘸，Unsafe類為一單例實現(xiàn)奋隶，提供靜態(tài)方法getUnsafe獲取Unsafe實例，當且僅當調用getUnsafe方法的類為引導類加載器所加載時才合法悦荒，否則拋出SecurityException異常唯欣。
public final class Unsafe {
// 單例對象
private static final Unsafe theUnsafe;
private Unsafe() {
}
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
Class var0 = Reflection.getCallerClass();
// 僅在引導類加載器`BootstrapClassLoader`加載時才合法
if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
throw new SecurityException("Unsafe");
} else {
return theUnsafe;
}
}
}
那如若想使用這個類，該如何獲取其實例搬味？有如下兩個可行方案境氢。
其一碰纬，從getUnsafe方法的使用限制條件出發(fā)脐区，通過Java命令行命令-Xbootclasspath/a把調用Unsafe相關方法的類A所在jar包路徑追加到默認的bootstrap路徑中炕柔，使得A被引導類加載器加載陵刹，從而通過Unsafe.getUnsafe方法安全的獲取Unsafe實例衰琐。
java -Xbootclasspath/a: ${path} // 其中path為調用Unsafe相關方法的類所在jar包路徑
其二，通過反射獲取單例對象theUnsafe狗热。
private static Unsafe reflectGetUnsafe() {
try {
Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
field.setAccessible(true);
return (Unsafe) field.get(null);
} catch (Exception e) {
log.error(e.getMessage(), e);
return null;
}
}
功能介紹
如上圖所示熟丸，Unsafe提供的API大致可分為內存操作隙弛、CAS、Class相關总珠、對象操作、線程調度、系統(tǒng)信息獲取、內存屏障唐责、數(shù)組操作等幾類，下面將對其相關方法和應用場景進行詳細介紹。
內存操作
這部分主要包含堆外內存的分配于颖、拷貝榨崩、釋放、給定地址值操作等方法。
//分配內存, 相當于C++的malloc函數(shù)
public native long allocateMemory(long bytes);
//擴充內存
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
//釋放內存
public native void freeMemory(long address);
//在給定的內存塊中設置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
//內存拷貝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
//獲取給定地址值，忽略修飾限定符的訪問限制违帆。與此類似操作還有: getInt渊抄，getDouble含衔，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//為給定地址設置值强经，忽略修飾限定符的訪問限制，與此類似操作還有: putInt,putDouble汁果，putLong鳄乏，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//獲取給定地址的byte類型的值（當且僅當該內存地址為allocateMemory分配時善玫，此方法結果為確定的）
public native byte getByte(long address);
//為給定地址設置byte類型的值（當且僅當該內存地址為allocateMemory分配時，此方法結果才是確定的）
public native void putByte(long address, byte x);
通常，我們在Java中創(chuàng)建的對象都處于堆內內存（heap）中，堆內內存是由JVM所管控的Java進程內存，并且它們遵循JVM的內存管理機制，JVM會采用垃圾回收機制統(tǒng)一管理堆內存。與之相對的是堆外內存，存在于JVM管控之外的內存區(qū)域，Java中對堆外內存的操作，依賴于Unsafe提供的操作堆外內存的native方法。
使用堆外內存的原因
- 對垃圾回收停頓的改善。由于堆外內存是直接受操作系統(tǒng)管理而不是JVM狞悲，所以當我們使用堆外內存時荸恕，即可保持較小的堆內內存規(guī)模算撮。從而在GC時減少回收停頓對于應用的影響审洞。
- 提升程序I/O操作的性能南吮。通常在I/O通信過程中誊酌，會存在堆內內存到堆外內存的數(shù)據(jù)拷貝操作部凑，對于需要頻繁進行內存間數(shù)據(jù)拷貝且生命周期較短的暫存數(shù)據(jù)，都建議存儲到堆外內存术辐。
典型應用
DirectByteBuffer是Java用于實現(xiàn)堆外內存的一個重要類砚尽，通常用在通信過程中做緩沖池，如在Netty辉词、MINA等NIO框架中應用廣泛。DirectByteBuffer對于堆外內存的創(chuàng)建猾骡、使用瑞躺、銷毀等邏輯均由Unsafe提供的堆外內存API來實現(xiàn)敷搪。
下圖為DirectByteBuffer構造函數(shù)，創(chuàng)建DirectByteBuffer的時候幢哨，通過Unsafe.allocateMemory分配內存赡勘、Unsafe.setMemory進行內存初始化，而后構建Cleaner對象用于跟蹤DirectByteBuffer對象的垃圾回收捞镰，以實現(xiàn)當DirectByteBuffer被垃圾回收時闸与，分配的堆外內存一起被釋放。
那么如何通過構建垃圾回收追蹤對象Cleaner實現(xiàn)堆外內存釋放呢岸售？
Cleaner繼承自Java四大引用類型之一的虛引用PhantomReference（眾所周知践樱，無法通過虛引用獲取與之關聯(lián)的對象實例，且當對象僅被虛引用引用時凸丸，在任何發(fā)生GC的時候拷邢，其均可被回收），通常PhantomReference與引用隊列ReferenceQueue結合使用屎慢，可以實現(xiàn)虛引用關聯(lián)對象被垃圾回收時能夠進行系統(tǒng)通知瞭稼、資源清理等功能。如下圖所示腻惠，當某個被Cleaner引用的對象將被回收時环肘，JVM垃圾收集器會將此對象的引用放入到對象引用中的pending鏈表中，等待Reference-Handler進行相關處理集灌。其中廷臼，Reference-Handler為一個擁有最高優(yōu)先級的守護線程，會循環(huán)不斷的處理pending鏈表中的對象引用绝页，執(zhí)行Cleaner的clean方法進行相關清理工作荠商。
所以當DirectByteBuffer僅被Cleaner引用（即為虛引用）時，其可以在任意GC時段被回收续誉。當DirectByteBuffer實例對象被回收時莱没，在Reference-Handler線程操作中，會調用Cleaner的clean方法根據(jù)創(chuàng)建Cleaner時傳入的Deallocator來進行堆外內存的釋放酷鸦。
CAS相關
如下源代碼釋義所示饰躲，這部分主要為CAS相關操作的方法。
/**
* CAS
* @param o 包含要修改field的對象
* @param offset 對象中某field的偏移量
* @param expected 期望值
* @param update 更新值
* @return true | false
*/
public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected,int update);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);
什么是CAS? 即比較并替換臼隔，實現(xiàn)并發(fā)算法時常用到的一種技術嘹裂。CAS操作包含三個操作數(shù)——內存位置、預期原值及新值摔握。執(zhí)行CAS操作的時候寄狼，將內存位置的值與預期原值比較，如果相匹配，那么處理器會自動將該位置值更新為新值泊愧，否則伊磺，處理器不做任何操作。我們都知道删咱，CAS是一條CPU的原子指令（cmpxchg指令）屑埋，不會造成所謂的數(shù)據(jù)不一致問題，Unsafe提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底層實現(xiàn)即為CPU指令cmpxchg。
典型應用
CAS在java.util.concurrent.atomic相關類、Java AQS、CurrentHashMap等實現(xiàn)上有非常廣泛的應用。如下圖所示，AtomicInteger的實現(xiàn)中，靜態(tài)字段valueOffset即為字段value的內存偏移地址镇饮，valueOffset的值在AtomicInteger初始化時钙勃，在靜態(tài)代碼塊中通過Unsafe的objectFieldOffset方法獲取。在AtomicInteger中提供的線程安全方法中跛十，通過字段valueOffset的值可以定位到AtomicInteger對象中value的內存地址奈偏，從而可以根據(jù)CAS實現(xiàn)對value字段的原子操作。
下圖為某個AtomicInteger對象自增操作前后的內存示意圖枉证，對象的基地址baseAddress=“0x110000”秒赤，通過baseAddress+valueOffset得到value的內存地址valueAddress=“0x11000c”；然后通過CAS進行原子性的更新操作，成功則返回盆均，否則繼續(xù)重試饰抒，直到更新成功為止。
線程調度
這部分郁轻，包括線程掛起输吏、恢復、鎖機制等方法躲查。
//取消阻塞線程
public native void unpark(Object thread);
//阻塞線程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
//獲得對象鎖（可重入鎖）
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object o);
//釋放對象鎖
@Deprecated
public native void monitorExit(Object o);
//嘗試獲取對象鎖
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);
如上源碼說明中它浅，方法park、unpark即可實現(xiàn)線程的掛起與恢復镣煮，將一個線程進行掛起是通過park方法實現(xiàn)的姐霍，調用park方法后，線程將一直阻塞直到超時或者中斷等條件出現(xiàn)典唇；unpark可以終止一個掛起的線程镊折，使其恢復正常。
典型應用
Java鎖和同步器框架的核心類AbstractQueuedSynchronizer介衔，就是通過調用LockSupport.park()和LockSupport.unpark()實現(xiàn)線程的阻塞和喚醒的恨胚，而LockSupport的park、unpark方法實際是調用Unsafe的park炎咖、unpark方式來實現(xiàn)赃泡。
Class相關
此部分主要提供Class和它的靜態(tài)字段的操作相關方法寒波，包含靜態(tài)字段內存定位、定義類升熊、定義匿名類俄烁、檢驗&確保初始化等。
//獲取給定靜態(tài)字段的內存地址偏移量级野，這個值對于給定的字段是唯一且固定不變的
public native long staticFieldOffset(Field f);
//獲取一個靜態(tài)類中給定字段的對象指針
public native Object staticFieldBase(Field f);
//判斷是否需要初始化一個類页屠，通常在獲取一個類的靜態(tài)屬性的時候（因為一個類如果沒初始化，它的靜態(tài)屬性也不會初始化）使用勺阐。 當且僅當ensureClassInitialized方法不生效時返回false卷中。
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c);
//檢測給定的類是否已經初始化矛双。通常在獲取一個類的靜態(tài)屬性的時候（因為一個類如果沒初始化渊抽，它的靜態(tài)屬性也不會初始化）使用。
public native void ensureClassInitialized(Class<?> c);
//定義一個類议忽，此方法會跳過JVM的所有安全檢查懒闷，默認情況下，ClassLoader（類加載器）和ProtectionDomain（保護域）實例來源于調用者
public native Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ClassLoader loader, ProtectionDomain protectionDomain);
//定義一個匿名類
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);
典型應用
從Java 8開始栈幸，JDK使用invokedynamic及VM Anonymous Class結合來實現(xiàn)Java語言層面上的Lambda表達式愤估。
- invokedynamic： invokedynamic是Java 7為了實現(xiàn)在JVM上運行動態(tài)語言而引入的一條新的虛擬機指令，它可以實現(xiàn)在運行期動態(tài)解析出調用點限定符所引用的方法速址，然后再執(zhí)行該方法玩焰，invokedynamic指令的分派邏輯是由用戶設定的引導方法決定。
- VM Anonymous Class：可以看做是一種模板機制芍锚，針對于程序動態(tài)生成很多結構相同昔园、僅若干常量不同的類時，可以先創(chuàng)建包含常量占位符的模板類并炮，而后通過Unsafe.defineAnonymousClass方法定義具體類時填充模板的占位符生成具體的匿名類默刚。生成的匿名類不顯式掛在任何ClassLoader下面，只要當該類沒有存在的實例對象逃魄、且沒有強引用來引用該類的Class對象時荤西，該類就會被GC回收。故而VM Anonymous Class相比于Java語言層面的匿名內部類無需通過ClassClassLoader進行類加載且更易回收伍俘。
在Lambda表達式實現(xiàn)中邪锌，通過invokedynamic指令調用引導方法生成調用點，在此過程中癌瘾，會通過ASM動態(tài)生成字節(jié)碼觅丰，而后利用Unsafe的defineAnonymousClass方法定義實現(xiàn)相應的函數(shù)式接口的匿名類，然后再實例化此匿名類柳弄，并返回與此匿名類中函數(shù)式方法的方法句柄關聯(lián)的調用點舶胀；而后可以通過此調用點實現(xiàn)調用相應Lambda表達式定義邏輯的功能概说。下面以如下圖所示的Test類來舉例說明。
Test類編譯后的class文件反編譯后的結果如下圖一所示（刪除了對本文說明無意義的部分）嚣伐，我們可以從中看到main方法的指令實現(xiàn)糖赔、invokedynamic指令調用的引導方法BootstrapMethods、及靜態(tài)方法lambda$main$0（實現(xiàn)了Lambda表達式中字符串打印邏輯）等轩端。在引導方法執(zhí)行過程中放典，會通過Unsafe.defineAnonymousClass生成如下圖二所示的實現(xiàn)Consumer接口的匿名類。其中基茵，accept方法通過調用Test類中的靜態(tài)方法lambda$main$0來實現(xiàn)Lambda表達式中定義的邏輯奋构。而后執(zhí)行語句consumer.accept（"lambda"）其實就是調用下圖二所示的匿名類的accept方法。
對象操作
此部分主要包含對象成員屬性相關操作及非常規(guī)的對象實例化方式等相關方法拱层。
//返回對象成員屬性在內存地址相對于此對象的內存地址的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);
//獲得給定對象的指定地址偏移量的值弥臼，與此類似操作還有：getInt忙芒，getDouble胰苏，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//給定對象的指定地址偏移量設值姜胖，與此類似操作還有：putInt烙肺，putDouble纳猪，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
//從對象的指定偏移量處獲取變量的引用桃笙，使用volatile的加載語義
public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset);
//存儲變量的引用到對象的指定的偏移量處氏堤，使用volatile的存儲語義
public native void putObjectVolatile(Object o, long offset, Object x);
//有序、延遲版本的putObjectVolatile方法搏明，不保證值的改變被其他線程立即看到鼠锈。只有在field被volatile修飾符修飾時有效
public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x);
//繞過構造方法、初始化代碼來創(chuàng)建對象
public native Object allocateInstance(Class<?> cls) throws InstantiationException;
典型應用
- 常規(guī)對象實例化方式：我們通常所用到的創(chuàng)建對象的方式熏瞄，從本質上來講脚祟，都是通過new機制來實現(xiàn)對象的創(chuàng)建。但是强饮，new機制有個特點就是當類只提供有參的構造函數(shù)且無顯示聲明無參構造函數(shù)時由桌，則必須使用有參構造函數(shù)進行對象構造，而使用有參構造函數(shù)時邮丰，必須傳遞相應個數(shù)的參數(shù)才能完成對象實例化行您。
- 非常規(guī)的實例化方式：而Unsafe中提供allocateInstance方法，僅通過Class對象就可以創(chuàng)建此類的實例對象剪廉，而且不需要調用其構造函數(shù)娃循、初始化代碼、JVM安全檢查等斗蒋。它抑制修飾符檢測捌斧，也就是即使構造器是private修飾的也能通過此方法實例化笛质，只需提類對象即可創(chuàng)建相應的對象。由于這種特性捞蚂，allocateInstance在java.lang.invoke妇押、Objenesis（提供繞過類構造器的對象生成方式）、Gson（反序列化時用到）中都有相應的應用姓迅。
如下圖所示敲霍，在Gson反序列化時，如果類有默認構造函數(shù)丁存，則通過反射調用默認構造函數(shù)創(chuàng)建實例肩杈，否則通過UnsafeAllocator來實現(xiàn)對象實例的構造，UnsafeAllocator通過調用Unsafe的allocateInstance實現(xiàn)對象的實例化解寝，保證在目標類無默認構造函數(shù)時扩然，反序列化不夠影響。
數(shù)組相關
這部分主要介紹與數(shù)據(jù)操作相關的arrayBaseOffset與arrayIndexScale這兩個方法编丘，兩者配合起來使用与学，即可定位數(shù)組中每個元素在內存中的位置。
//返回數(shù)組中第一個元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> arrayClass);
//返回數(shù)組中一個元素占用的大小
public native int arrayIndexScale(Class<?> arrayClass);
典型應用
這兩個與數(shù)據(jù)操作相關的方法嘉抓，在java.util.concurrent.atomic 包下的AtomicIntegerArray（可以實現(xiàn)對Integer數(shù)組中每個元素的原子性操作）中有典型的應用，如下圖AtomicIntegerArray源碼所示晕窑，通過Unsafe的arrayBaseOffset抑片、arrayIndexScale分別獲取數(shù)組首元素的偏移地址base及單個元素大小因子scale。后續(xù)相關原子性操作杨赤，均依賴于這兩個值進行數(shù)組中元素的定位敞斋，如下圖二所示的getAndAdd方法即通過checkedByteOffset方法獲取某數(shù)組元素的偏移地址，而后通過CAS實現(xiàn)原子性操作疾牲。
內存屏障
在Java 8中引入植捎，用于定義內存屏障（也稱內存柵欄，內存柵障阳柔，屏障指令等焰枢，是一類同步屏障指令，是CPU或編譯器在對內存隨機訪問的操作中的一個同步點舌剂，使得此點之前的所有讀寫操作都執(zhí)行后才可以開始執(zhí)行此點之后的操作）济锄，避免代碼重排序。
//內存屏障霍转，禁止load操作重排序荐绝。屏障前的load操作不能被重排序到屏障后，屏障后的load操作不能被重排序到屏障前
public native void loadFence();
//內存屏障避消，禁止store操作重排序低滩。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后召夹，屏障后的store操作不能被重排序到屏障前
public native void storeFence();
//內存屏障，禁止load恕沫、store操作重排序
public native void fullFence();
典型應用
在Java 8中引入了一種鎖的新機制——StampedLock戳鹅，它可以看成是讀寫鎖的一個改進版本。StampedLock提供了一種樂觀讀鎖的實現(xiàn)昏兆，這種樂觀讀鎖類似于無鎖的操作枫虏，完全不會阻塞寫線程獲取寫鎖，從而緩解讀多寫少時寫線程“饑餓”現(xiàn)象爬虱。由于StampedLock提供的樂觀讀鎖不阻塞寫線程獲取讀鎖隶债，當線程共享變量從主內存load到線程工作內存時，會存在數(shù)據(jù)不一致問題跑筝，所以當使用StampedLock的樂觀讀鎖時死讹，需要遵從如下圖用例中使用的模式來確保數(shù)據(jù)的一致性。
如上圖用例所示計算坐標點Point對象曲梗，包含點移動方法move及計算此點到原點的距離的方法distanceFromOrigin赞警。在方法distanceFromOrigin中，首先虏两，通過tryOptimisticRead方法獲取樂觀讀標記愧旦；然后從主內存中加載點的坐標值 (x,y)；而后通過StampedLock的validate方法校驗鎖狀態(tài)定罢，判斷坐標點(x,y)從主內存加載到線程工作內存過程中笤虫，主內存的值是否已被其他線程通過move方法修改，如果validate返回值為true祖凫，證明(x, y)的值未被修改琼蚯，可參與后續(xù)計算；否則惠况，需加悲觀讀鎖遭庶，再次從主內存加載(x,y)的最新值，然后再進行距離計算稠屠。其中峦睡，校驗鎖狀態(tài)這步操作至關重要，需要判斷鎖狀態(tài)是否發(fā)生改變完箩，從而判斷之前copy到線程工作內存中的值是否與主內存的值存在不一致赐俗。
下圖為StampedLock.validate方法的源碼實現(xiàn)，通過鎖標記與相關常量進行位運算弊知、比較來校驗鎖狀態(tài)阻逮，在校驗邏輯之前，會通過Unsafe的loadFence方法加入一個load內存屏障秩彤，目的是避免上圖用例中步驟②和StampedLock.validate中鎖狀態(tài)校驗運算發(fā)生重排序導致鎖狀態(tài)校驗不準確的問題叔扼。
系統(tǒng)相關
這部分包含兩個獲取系統(tǒng)相關信息的方法事哭。
//返回系統(tǒng)指針的大小。返回值為4（32位系統(tǒng)）或 8（64位系統(tǒng)）瓜富。
public native int addressSize();
//內存頁的大小鳍咱，此值為2的冪次方。
public native int pageSize();
典型應用
如下圖所示的代碼片段与柑，為java.nio下的工具類Bits中計算待申請內存所需內存頁數(shù)量的靜態(tài)方法谤辜，其依賴于Unsafe中pageSize方法獲取系統(tǒng)內存頁大小實現(xiàn)后續(xù)計算邏輯。
結語
本文對Java中的sun.misc.Unsafe的用法及應用場景進行了基本介紹价捧，我們可以看到Unsafe提供了很多便捷丑念、有趣的API方法。即便如此结蟋，由于Unsafe中包含大量自主操作內存的方法脯倚，如若使用不當，會對程序帶來許多不可控的災難嵌屎。因此對它的使用我們需要慎之又慎推正。
