Unsafe 類的使用

1. 前言

本節(jié)對 Unsafe 類的使用進行講解，上一小節(jié)內(nèi)容已經(jīng)對 Unsafe 類的常用方法有了大體的概括，本節(jié)主要內(nèi)容點如下：
Unsafe 類的簡介，對 UnSafe 類有一個整體的認識；
Unsafe 類的創(chuàng)建以及創(chuàng)建過程中避免的異常機制，這是開始使用 UnSafe 類的前提；
了解 Unsafe 類操作對象屬性方法的使用，這是本節(jié)內(nèi)容的重點之一；
了解 Unsafe 操作數(shù)組元素方法的使用，也是本節(jié)內(nèi)容的重點之一。

本節(jié)內(nèi)容意在了解并掌握 Unsafe 類的常用方法的使用。

2. Unsafe 類簡介

Unsafe 類是 Java 整個并發(fā)包底層實現(xiàn)的核心，它具有像 C++ 的指針一樣直接操作內(nèi)存的能力，而這也就意味著其越過了 JVM 的限制。

Unsafe 類有如下的特點：

• Unsafe 不受 JVM 管理，也就無法被自動 GC，需要手動 GC，容易出現(xiàn)內(nèi)存泄漏；
• Unsafe 的大部分方法中必須提供原始地址 (內(nèi)存地址) 和被替換對象的地址，偏移量需自行計算，一旦出現(xiàn)問題必然是 JVM 崩潰級別的異常，會導致整個應用程序直接 crash；
• 直接操作內(nèi)存，也意味著其速度更快，在高并發(fā)的條件之下能夠很好地提高效率。

3. Unsafe 類的創(chuàng)建

Unsafe 類是不可以通過 new 關鍵字直接創(chuàng)建的。Unsafe 類的構造函數(shù)是私有的，而對外提供的靜態(tài)方法 Unsafe.getUnsafe () 又對調(diào)用者的 ClassLoader 有限制 ，如果這個方法的調(diào)用者不是由 Boot ClassLoader 加載的，則會報錯。

實例：通過 main 方法進行調(diào)用，報錯。

import sun.misc.Unsafe;
import sun.misc.VM;
import sun.reflect.Reflection;

public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) {
        getUnsafe();
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class unsafeClass = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(unsafeClass.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return null;
        }
    }
}

運行結果：

Exception in thread "main" java.lang.InternalError: CallerSensitive annotation expected at frame 1
	at sun.reflect.Reflection.getCallerClass(Native Method)
	at leeCode.DemoTest.getUnsafe(DemoTest.java:12)
	at leeCode.DemoTest.main(DemoTest.java:9)

報錯原因： Java 源碼中由開發(fā)者自定義的類都是由 Appliaction ClassLoader 加載的，也就是說 main 函數(shù)所依賴的 jar 包都是 ClassLoader 加載的，所以會報錯。

所以正常情況下我們無法直接使用 Unsafe ，如果需要使用它，則需要利用反射

實例：通過反射，成功加載 Unsafe 類。

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        System.out.println("Unsafe 加載成功："+unsafe);
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
}

結果驗證：

Unsafe 加載成功：sun.misc.Unsafe@677327b6

總結：Unsafe 類的加載必須使用反射進行，否則會報錯。

4. Unsafe 類操作對象屬性

操作對象屬性的常用方法有：

• public native Object getObject(Object o, long offset)：獲取一個 Java 對象中偏移地址為 offset 的屬性的值，此方法可以突破修飾符的限制，類似的方法有 getInt ()、getDouble () 等，同理還有 putObject () 方法；
• public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset)：強制從主存中獲取目標對象指定偏移量的屬性值，類似的方法有 getIntVolatile ()，getDoubleVolatile () 等，同理還有 putObjectVolatile ()；
• public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x)：設置目標對象中偏移地址 offset 對應的對象類型屬性的值為指定值。這是一個有序或者有延遲的 putObjectVolatile () 方法，并且不保證值的改變被其他線程立即看到。只有在屬性被 volatile 修飾并且期望被修改的時候使用才會生效，類似的方法有 putOrderedInt () 和 putOrderedLong ()；
• public native long objectFieldOffset(Field f)：返回給定的非靜態(tài)屬性在它的類的存儲分配中的位置 (偏移地址)，然后可根據(jù)偏移地址直接對屬性進行修改，可突破屬性的訪問修飾符限制。

實例：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class DemoTest {
    private String name;
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        try {
            DemoTest directMemory = (DemoTest) unsafe.allocateInstance(DemoTest.class);
            //獲取name屬性
            long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(DemoTest.class.getDeclaredField("name"));
            //設置name屬性
            unsafe.putObject(directMemory, nameOffset, "并發(fā)編程");
            System.out.println("屬性設置成功："+ directMemory.getName());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
}

結果驗證：

屬性設置成功：并發(fā)編程

5. Unsafe 操作數(shù)組元素

Unsafe 操作數(shù)組元素主要有如下兩個方法：

• public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass)：返回數(shù)組類型的第一個元素的偏移地址 (基礎偏移地址)；
• public native int arrayIndexScale(Class arrayClass)：返回數(shù)組中元素與元素之間的偏移地址的增量，配合 arrayBaseOffset () 使用就可以定位到任何一個元素的地址。

實例：

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class DemoTest {
    private static String[] names = {"多線程", "Java", "并發(fā)編程"};
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        try {
            Class<?> a = String[].class;
            int base = unsafe.arrayBaseOffset(a);
            int scale = unsafe.arrayIndexScale(a);
            // base + i * scale 即為字符串數(shù)組下標 i 在對象的內(nèi)存中的偏移地址
            System.out.println(unsafe.getObject(names, (long) base + 2 * scale));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
}

結果驗證：

并發(fā)編程

通過對數(shù)組的元素的地址進行內(nèi)存偏移，最后得到的結果為最后一個元素，并發(fā)編程。base + 2 * scale 表示字符串數(shù)組下標 i 在對象的內(nèi)存中的偏移地址，偏移兩個元素，得到最后一個元素。

6. 小結

本節(jié)內(nèi)容主要對 Unsafe 類的常用方法的使用進行介紹，使學習者能夠在使用 Unsafe 類操作對象和數(shù)組時，能夠快速的使用課程中提供的實例思路。其實 Unsafe 類還可以操作內(nèi)存地址，操作 CAS，對于初學者來說就比較晦澀了。

此處對操作對象和操作數(shù)組常用的方法的講解，是本節(jié)的核心知識，掌握 Unsafe 類的常用方法的使用，非常重要。