1. Unsafe類(lèi)介紹

Unsafe是位于sun.misc包下的一個(gè)類(lèi)深胳，主要提供一些用于執(zhí)行低級(jí)別、不安全操作的 方法，如直接訪問(wèn)系統(tǒng)內(nèi)存資源、自主管理內(nèi)存資源等粪糙，這些方法在提升Java運(yùn)行效率凛膏、增強(qiáng)Java語(yǔ)言底層資源操作能力方面起到了很大的作用冠绢。但由于Unsafe類(lèi)使Java語(yǔ)言擁有了 類(lèi)似C語(yǔ)言指針一樣操作內(nèi)存空間的能力囤躁，這無(wú)疑也增加了程序發(fā)生相關(guān)指針問(wèn)題的風(fēng)險(xiǎn)。 在程序中過(guò)度福铅、不正確使用Unsafe類(lèi)會(huì)使得程序出錯(cuò)的概率變大萝毛，使得Java這種安全的語(yǔ) 言變得不再“安全”，因此對(duì)Unsafe的使用一定要慎重滑黔。

2. 構(gòu)造方法

Unsafe類(lèi)為一單例實(shí)現(xiàn)笆包，提供靜態(tài)方法getUnsafe獲取Unsafe實(shí)例环揽，當(dāng)且僅當(dāng)調(diào)用 getUnsafe方法的類(lèi)為引導(dǎo)類(lèi)加載器所加載時(shí)才合法，否則拋出SecurityException異常庵佣。

public class Unsafe { 
    // 單例對(duì)象 
    private static final Unsafe theUnsafe; 
    private Unsafe() { 
    }
    @CallerSensitive 
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass(); 
        // 僅在引導(dǎo)類(lèi)加載器`BootstrapClassLoader`加載時(shí)才合法 if(!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) { 
        throw new SecurityException("Unsafe"); 
        } else {
            return theUnsafe; 
        } 
    } 
}

3. 如何獲取Unsafe實(shí)例?

• 從getUnsafe方法的使用限制條件出發(fā)歉胶，通過(guò)Java命令行命令-Xbootclasspath/a把 調(diào)用Unsafe相關(guān)方法的類(lèi)A所在jar包路徑追加到默認(rèn)的bootstrap路徑中，使得A被 引導(dǎo)類(lèi)加載器加載巴粪，從而通過(guò)Unsafe.getUnsafe方法安全的獲取Unsafe實(shí)例通今。
• 通過(guò)反射獲取單例對(duì)象theUnsafe。

package Unsafe;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class UnsafeInstance {
    
    public static Unsafe reflectGetInstance()  {
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            return (Unsafe) field.get(null);
        }catch (Exception e){
            e.printStackTrace();
        }
        return null;
    }
}

4. 功能介紹

Unsafe提供的API大致可分為內(nèi)存操作肛根、CAS辫塌、Class相關(guān)、對(duì)象操作派哲、線程調(diào)度臼氨、系 統(tǒng)信息獲取、內(nèi)存屏障狮辽、數(shù)組操作等幾類(lèi)一也，下面將對(duì)其相關(guān)方法和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行詳細(xì) 介紹。

Unsafe功能

4.1 內(nèi)存操作

這部分主要包含堆外內(nèi)存的分配喉脖、拷貝、釋放抑月、給定地址值操作等方法树叽。

//分配內(nèi)存, 相當(dāng)于C++的malloc函數(shù) 
public native long allocateMemory(long bytes); 
//擴(kuò)充內(nèi)存 
public native long reallocateMemory(long address, long bytes); 
//釋放內(nèi)存 
public native void freeMemory(long address);
//在給定的內(nèi)存塊中設(shè)置值 
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value); 
//內(nèi)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(wèn)限制谦絮。與此類(lèi)似操作還有: getInt题诵， getDouble，getLong层皱，getChar等 
public native Object getObject(Object o, long offset);

//為給定地址設(shè)置值性锭，忽略修飾限定符的訪問(wèn)限制，與此類(lèi)似操作還有: putInt,putDouble叫胖，putLong草冈，putChar等 
public native void putObject(Object o, long offset, Object x); 
public native byte getByte(long address);

//為給定地址設(shè)置byte類(lèi)型的值（當(dāng)且僅當(dāng)該內(nèi)存地址為 allocateMemory分配 時(shí)，此方法結(jié)果才是確定的） 
public native void putByte(long address, byte x);

通常瓮增，我們?cè)贘ava中創(chuàng)建的對(duì)象都處于堆內(nèi)內(nèi)存（heap）中怎棱，堆內(nèi)內(nèi)存是由JVM 所管控的Java進(jìn)程內(nèi)存，并且它們遵循JVM的內(nèi)存管理機(jī)制绷跑，JVM會(huì)采用垃圾回收機(jī) 制統(tǒng)一管理堆內(nèi)存拳恋。與之相對(duì)的是堆外內(nèi)存，存在于JVM管控之外的內(nèi)存區(qū)域砸捏，Java 中對(duì)堆外內(nèi)存的操作谬运，依賴于Unsafe提供的操作堆外內(nèi)存的native方法隙赁。

使用堆外內(nèi)存的原因:

• 對(duì)垃圾回收停頓的改善。由于堆外內(nèi)存是直接受操作系統(tǒng)管理而不是JVM梆暖，所以 當(dāng)我們使用堆外內(nèi)存時(shí)鸳谜，即可保持較小的堆內(nèi)內(nèi)存規(guī)模。從而在GC時(shí)減少回收停頓 對(duì)于應(yīng)用的影響式廷。
• 提升程序I/O操作的性能咐扭。通常在I/O通信過(guò)程中，會(huì)存在堆內(nèi)內(nèi)存到堆外內(nèi)存的 數(shù)據(jù)拷貝操作滑废，對(duì)于需要頻繁進(jìn)行內(nèi)存間數(shù)據(jù)拷貝且生命周期較短的暫存數(shù)據(jù)蝗肪，都建 議存儲(chǔ)到堆外內(nèi)存。

典型應(yīng)用：
DirectByteBuffer是Java用于實(shí)現(xiàn)堆外內(nèi)存的一個(gè)重要類(lèi)蠕趁，通常用在通信過(guò)程中做緩沖 池薛闪，如在Netty、MINA等NIO框架中應(yīng)用廣泛俺陋。DirectByteBuffer對(duì)于堆外內(nèi)存的創(chuàng)建豁延、 使用、銷(xiāo)毀等邏輯均由Unsafe提供的堆外內(nèi)存API來(lái)實(shí)現(xiàn)腊状。

下圖為DirectByteBuffer構(gòu)造函數(shù)诱咏，創(chuàng)建DirectByteBuffer的時(shí)候，通過(guò) Unsafe.allocateMemory分配內(nèi)存缴挖、Unsafe.setMemory進(jìn)行內(nèi)存初始化袋狞，而后構(gòu)建 Cleaner對(duì)象用于跟蹤DirectByteBuffer對(duì)象的垃圾回收，以實(shí)現(xiàn)當(dāng)DirectByteBuffer被垃圾回收時(shí)映屋，分配的堆外內(nèi)存一起被釋放苟鸯。

DirectByteBuffer

4.2 CAS相關(guān)

如下源代碼釋義所示，這部分主要為CAS相關(guān)操作的方法棚点。

/**
 * CAS 
 * @param o 包含要修改field的對(duì)象 
 * @param offset 對(duì)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 var1, long var2, Object var4, Object var5); 
 
 public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5); 
 
 public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

典型應(yīng)用:

如下圖所示早处，AtomicInteger的實(shí)現(xiàn)中，靜態(tài)字段valueOffset即為字段value的內(nèi)存偏 移地址瘫析，valueOffset的值在AtomicInteger初始化時(shí)砌梆，在靜態(tài)代碼塊中通過(guò)Unsafe的 objectFieldOffset方法獲取。在AtomicInteger中提供的線程安全方法中颁股，通過(guò)字段 valueOffset的值可以定位到AtomicInteger對(duì)象中value的內(nèi)存地址么库，從而可以根據(jù)CAS實(shí) 現(xiàn)對(duì)value字段的原子操作。

AtomicInteger

下圖為某個(gè)AtomicInteger對(duì)象自增操作前后的內(nèi)存示意圖甘有，對(duì)象的基地址 baseAddress=“0x110000”诉儒，通過(guò)baseAddress+valueOffset得到value的內(nèi)存地址 valueAddress=“0x11000c”；然后通過(guò)CAS進(jìn)行原子性的更新操作亏掀，成功則返回忱反，否則 繼續(xù)重試泛释，直到更新成功為止。

AtomicInteger圖

4.3 線程調(diào)度

包括線程掛起温算、恢復(fù)怜校、鎖機(jī)制等方法。

//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(duì)象鎖（可重入鎖） 
@Deprecated 
public native void monitorEnter(Object o); 
//釋放對(duì)象鎖 
@Deprecated 
public native void monitorExit(Object o); 
//嘗試獲取對(duì)象鎖 
@Deprecated 
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

方法park注竿、unpark即可實(shí)現(xiàn)線程的掛起與恢復(fù)茄茁，將一個(gè)線程進(jìn)行掛起是通過(guò)park方 法實(shí)現(xiàn)的，調(diào)用park方法后巩割，線程將一直阻塞直到超時(shí)或者中斷等條件出現(xiàn)裙顽； unpark可以終止一個(gè)掛起的線程，使其恢復(fù)正常宣谈。

典型應(yīng)用:

Java鎖和同步器框架的核心類(lèi)AbstractQueuedSynchronizer愈犹，就是通過(guò)調(diào)用 LockSupport.park()和LockSupport.unpark()實(shí)現(xiàn)線程的阻塞和喚醒的，而 LockSupport的park闻丑、unpark方法實(shí)際是調(diào)用Unsafe的park漩怎、unpark方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.4 內(nèi)存屏障

在Java 8中引入嗦嗡，用于定義內(nèi)存屏障（也稱內(nèi)存柵欄勋锤，內(nèi)存柵障，屏障指令等酸钦，是一類(lèi) 同步屏障指令怪得，是CPU或編譯器在對(duì)內(nèi)存隨機(jī)訪問(wèn)的操作中的一個(gè)同步點(diǎn)，使得此點(diǎn)之前的 所有讀寫(xiě)操作都執(zhí)行后才可以開(kāi)始執(zhí)行此點(diǎn)之后的操作）卑硫，避免代碼重排序。

//內(nèi)存屏障蚕断，禁止load操作重排序欢伏。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(nèi)存屏障亿乳，禁止store操作重排序硝拧。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后， 屏障后的store操作不能被重排序到屏障前 
public native void storeFence(); 
//內(nèi)存屏障葛假，禁止load障陶、store操作重排序 
public native void fullFence();

典型應(yīng)用:

在Java 8中引入了一種鎖的新機(jī)制——StampedLock，它可以看成是讀寫(xiě)鎖的一個(gè)改 進(jìn)版本聊训。StampedLock提供了一種樂(lè)觀讀鎖的實(shí)現(xiàn)抱究，這種樂(lè)觀讀鎖類(lèi)似于無(wú)鎖的操作，完 全不會(huì)阻塞寫(xiě)線程獲取寫(xiě)鎖带斑，從而緩解讀多寫(xiě)少時(shí)寫(xiě)線程“饑餓”現(xiàn)象鼓寺。由于 StampedLock提供的樂(lè)觀讀鎖不阻塞寫(xiě)線程獲取讀鎖勋拟，當(dāng)線程共享變量從主內(nèi)存load到線 程工作內(nèi)存時(shí)，會(huì)存在數(shù)據(jù)不一致問(wèn)題妈候，所以當(dāng)使用StampedLock的樂(lè)觀讀鎖時(shí)敢靡，需要遵從如下圖用例中使用的模式來(lái)確保數(shù)據(jù)的一致性。

內(nèi)存屏障

如上圖用例所示計(jì)算坐標(biāo)點(diǎn)Point對(duì)象苦银，包含點(diǎn)移動(dòng)方法move及計(jì)算此點(diǎn)到原點(diǎn)的距 離的方法distanceFromOrigin啸胧。在方法distanceFromOrigin中，首先幔虏，通過(guò) tryOptimisticRead方法獲取樂(lè)觀讀標(biāo)記纺念；然后從主內(nèi)存中加載點(diǎn)的坐標(biāo)值 (x,y)；而后通過(guò) StampedLock的validate方法校驗(yàn)鎖狀態(tài)所计，判斷坐標(biāo)點(diǎn)(x,y)從主內(nèi)存加載到線程工作內(nèi)存過(guò)程中柠辞，主內(nèi)存的值是否已被其他線程通過(guò)move方法修改，如果validate返回值為true主胧，證明(x,y)的值未被修改叭首，可參與后續(xù)計(jì)算；否則踪栋，需加悲觀讀鎖焙格，再次從主內(nèi)存加載(x,y)的最新值，然后再進(jìn)行距離計(jì)算夷都。其中眷唉，校驗(yàn)鎖狀態(tài)這步操作至關(guān)重要，需要判斷鎖狀態(tài)是否發(fā)生改變囤官，從而判斷之前copy到線程工作內(nèi)存中的值是否與主內(nèi)存的值存在不一致冬阳。

下圖為StampedLock.validate方法的源碼實(shí)現(xiàn)，通過(guò)鎖標(biāo)記與相關(guān)常量進(jìn)行位運(yùn)算党饮、 比較來(lái)校驗(yàn)鎖狀態(tài)肝陪，在校驗(yàn)邏輯之前，會(huì)通過(guò)Unsafe的loadFence方法加入一個(gè)load內(nèi)存 屏障刑顺，目的是避免上圖用例中步驟②和StampedLock.validate中鎖狀態(tài)校驗(yàn)運(yùn)算發(fā)生重排 序?qū)е骆i狀態(tài)校驗(yàn)不準(zhǔn)確的問(wèn)題氯窍。