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Java 中的 Unsafe 魔法類的作用大全

 更新時(shí)間:2021年06月26日 10:06:29   作者:rickiyang  
Unsafe是位于sun.misc包下的一個(gè)類,主要提供一些用于執(zhí)行低級(jí)別、不安全操作的方法,關(guān)于Java 中的 Unsafe 魔法類,到底有啥用處,你都了解嗎,下面通過(guò)本文給大家普及一下

Unsafe是位于sun.misc包下的一個(gè)類,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,這些方法在提升Java運(yùn)行效率、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。

但是,這個(gè)類的作者不希望我們使用它,因?yàn)槲覀冸m然我們獲取到了對(duì)底層的控制權(quán),但是也增大了風(fēng)險(xiǎn),安全性正是Java相對(duì)于C++/C的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樵擃愒?code>sun.misc包下,默認(rèn)是被BootstrapClassLoader加載的。如果我們?cè)诔绦蛑腥フ{(diào)用這個(gè)類的話,我們使用的類加載器肯定是 AppClassLoader,問(wèn)題是在Unsafe中是這樣寫的:

private static final Unsafe theUnsafe;

private Unsafe() {
}

@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
  Class var0 = Reflection.getCallerClass();
  if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
    throw new SecurityException("Unsafe");
  } else {
    return theUnsafe;
  }
}

將構(gòu)造函數(shù)私有,然后提供了一個(gè)靜態(tài)方法去獲取當(dāng)前類實(shí)例。在getUnsafe()方法中首先判斷當(dāng)前類加載器是否為空,因?yàn)槭褂?BootstrapClassLoader 本身就是空,它是用c++實(shí)現(xiàn)的,這樣就限制了我們?cè)谧约旱拇a中使用這個(gè)類。

但是同時(shí)作者也算是給我們提供了一個(gè)后門,因?yàn)镴ava有反射機(jī)制。調(diào)用的思路就是將theUnsafe對(duì)象設(shè)置為可見(jiàn)。

Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafeField.setAccessible(true);
Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
System.out.println(unsafe);

unsafe類功能介紹:

內(nèi)存操作

這部分主要包含堆外內(nèi)存的分配、拷貝、釋放、給定地址值操作等方法。

//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。與此類似操作還有: getInt,getDouble,getLong,getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
//為給定地址設(shè)置值,忽略修飾限定符的訪問(wèn)限制,與此類似操作還有: putInt,putDouble,putLong,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(dāng)且僅當(dāng)該內(nèi)存地址為allocateMemory分配時(shí),此方法結(jié)果為確定的)
public native byte getByte(long address);
//為給定地址設(shè)置byte類型的值(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,我們?cè)贘ava中創(chuàng)建的對(duì)象都處于堆內(nèi)內(nèi)存(heap)中,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,JVM會(huì)采用垃圾回收機(jī)制統(tǒng)一管理堆內(nèi)存。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,Java中對(duì)堆外內(nèi)存的操作,依賴于Unsafe提供的操作堆外內(nèi)存的native方法。

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,所以當(dāng)我們使用堆外內(nèi)存時(shí),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。
  • 提升程序I/O操作的性能。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,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),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,通常用在通信過(guò)程中做緩沖池,如在Netty、MINA等NIO框架中應(yīng)用廣泛。DirectByteBuffer對(duì)于堆外內(nèi)存的創(chuàng)建、使用、銷毀等邏輯均由Unsafe提供的堆外內(nèi)存API來(lái)實(shí)現(xiàn)。

下面的代碼為DirectByteBuffer構(gòu)造函數(shù),創(chuàng)建DirectByteBuffer的時(shí)候,通過(guò)Unsafe.allocateMemory分配內(nèi)存、Unsafe.setMemory進(jìn)行內(nèi)存初始化,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),分配的堆外內(nèi)存一起被釋放。

DirectByteBuffer(int cap) {                   // package-private

  super(-1, 0, cap, cap);
  boolean pa = VM.isDirectMemoryPageAligned();
  int ps = Bits.pageSize();
  long size = Math.max(1L, (long)cap + (pa ? ps : 0));
  Bits.reserveMemory(size, cap);

  long base = 0;
  try {
    //分配內(nèi)存,返回基地址
    base = unsafe.allocateMemory(size);
  } catch (OutOfMemoryError x) {
    Bits.unreserveMemory(size, cap);
    throw x;
  }
  //內(nèi)存初始化
  unsafe.setMemory(base, size, (byte) 0);
  if (pa && (base % ps != 0)) {
    // Round up to page boundary
    address = base + ps - (base & (ps - 1));
  } else {
    address = base;
  }
  //跟蹤directbytebuffer 對(duì)象的垃圾回收,實(shí)現(xiàn)堆外內(nèi)存的釋放
  cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
  att = null;
}

上面最后一句代碼通過(guò)Cleaner.create()來(lái)進(jìn)行對(duì)象監(jiān)控,釋放堆外內(nèi)存。這里是如何做到的呢?跟蹤一下Cleaner類:

public class Cleaner extends PhantomReference<Object> {
  
   public static Cleaner create(Object var0, Runnable var1) {
        return var1 == null ? null : add(new Cleaner(var0, var1));
    }
}

可以看到繼承了PhantomReference,Java中的4大引用類型我們都知道。PhantomReference的作用于其他的Refenrence作用大有不同。像 SoftReference、WeakReference都是為了保證引用的類對(duì)象能在不用的時(shí)候及時(shí)的被回收,但是 PhantomReference 并不會(huì)決定對(duì)象的生命周期。如果一個(gè)對(duì)象僅持有虛引用,那么它就和沒(méi)有任何引用一樣,對(duì)象不可達(dá)時(shí)就會(huì)被垃圾回收器回收,但是任何時(shí)候都無(wú)法通過(guò)虛引用獲得對(duì)象。虛引用主要用來(lái)跟蹤對(duì)象被垃圾回收器回收的活動(dòng)。

那他的作用到底是啥呢?準(zhǔn)確來(lái)說(shuō) PhantomReference 給使用者提供了一種機(jī)制-來(lái)監(jiān)控對(duì)象的垃圾回收的活動(dòng)。

可能這樣說(shuō)不是太明白,我來(lái)舉個(gè)例子:

package com.rickiyang.learn.javaagent;

import java.lang.ref.PhantomReference;
import java.lang.ref.Reference;
import java.lang.ref.ReferenceQueue;
import java.lang.reflect.Field;


/**
 * @author rickiyang
 * @date 2019-08-08
 * @Desc
 */
public class TestPhantomReference {
  public static boolean isRun = true;

  public static void main(String[] args) throws Exception {
    String str = new String("123");
    System.out.println(str.getClass() + "@" + str.hashCode());
    final ReferenceQueue<String> referenceQueue = new ReferenceQueue<>();
    new Thread(() -> {
      while (isRun) {
        Object obj = referenceQueue.poll();
        if (obj != null) {
          try {
            Field rereferent = Reference.class.getDeclaredField("referent");
            rereferent.setAccessible(true);
            Object result = rereferent.get(obj);
            System.out.println("gc will collect:"
                               + result.getClass() + "@"
                               + result.hashCode() + "\t"
                               + result);
          } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
          }
        }
      }
    }).start();
    PhantomReference<String> weakRef = new PhantomReference<>(str, referenceQueue);
    str = null;
    Thread.currentThread().sleep(2000);
    System.gc();
    Thread.currentThread().sleep(2000);
    isRun = false;
  }
}

上面這段代碼的含義是new PhantomReference(),因?yàn)镻hantomReference必須的維護(hù)一個(gè)ReferenceQueue用來(lái)保存當(dāng)前被虛引用的對(duì)象。上例中手動(dòng)去調(diào)用referenceQueue.poll()方法,這里你需要注意的是并不是我們主動(dòng)去釋放queue中的對(duì)象,你跟蹤進(jìn)去 poll() 方法可以看到有一個(gè)全局鎖對(duì)象,只有當(dāng)當(dāng)前對(duì)象失去了引用之后才會(huì)釋放鎖,poll()方法才能執(zhí)行。在執(zhí)行poll()方法釋放對(duì)象的時(shí)候我們可以針對(duì)這個(gè)對(duì)象做一些監(jiān)控。這就是 PhantomReference 的意義所在。

說(shuō)回到 Cleaner, 通過(guò)看源碼,create()方法調(diào)用了add()方法,在Cleaner類里面維護(hù)了一個(gè)雙向鏈表,將每一個(gè)add進(jìn)來(lái)的Cleaner對(duì)象都添加到這個(gè)鏈表中維護(hù)。那么在Cleaner 鏈表中的對(duì)象實(shí)在何時(shí)被釋放掉呢?

注意到 Cleaner中有一個(gè)clean()方法:

public void clean() {
  if (remove(this)) {
    try {
      this.thunk.run();
    } catch (final Throwable var2) {
      AccessController.doPrivileged(new PrivilegedAction<Void>() {
        public Void run() {
          if (System.err != null) {
            (new Error("Cleaner terminated abnormally", var2)).printStackTrace();
          }

          System.exit(1);
          return null;
        }
      });
    }

  }
}

remove()方法是將該對(duì)象從內(nèi)部維護(hù)的雙向鏈表中清除。下面緊跟著是thunk.run() ,thunk = 我們通過(guò)create()方法傳進(jìn)來(lái)的參數(shù),在``DirectByteBuffer中那就是:Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap))`,Deallocator類也是一個(gè)線程:

private static class Deallocator
        implements Runnable
    {

        private static Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();

       //省略無(wú)關(guān) 代碼
        public void run() {
            if (address == 0) {
                // Paranoia
                return;
            }
            unsafe.freeMemory(address);
            address = 0;
            Bits.unreserveMemory(size, capacity);
        }

    }

看到在run方法中調(diào)用了freeMemory()去釋放掉對(duì)象。

Reference類中調(diào)用了該方法,Reference 類中的靜態(tài)代碼塊 有個(gè)一內(nèi)部類:ReferenceHandler,它繼承了 Thread,在run方法中調(diào)用了 tryHandlePending(),并且被設(shè)置為守護(hù)線程,意味著會(huì)循環(huán)不斷的處理pending鏈表中的對(duì)象引用。

這里要注意的點(diǎn)是:

Cleaner本身不帶有清理邏輯,所有的邏輯都封裝在thunk中,因此thunk是怎么實(shí)現(xiàn)的才是最關(guān)鍵的。

另外,Java 最新核心技術(shù)系列教程和示例源碼看這里:https://github.com/javastacks/javastack

static {
  ThreadGroup tg = Thread.currentThread().getThreadGroup();
  for (ThreadGroup tgn = tg;
       tgn != null;
       tg = tgn, tgn = tg.getParent());
  Thread handler = new ReferenceHandler(tg, "Reference Handler");
  /* If there were a special system-only priority greater than
         * MAX_PRIORITY, it would be used here
         */
  handler.setPriority(Thread.MAX_PRIORITY);
  handler.setDaemon(true);
  handler.start();

  // provide access in SharedSecrets
  SharedSecrets.setJavaLangRefAccess(new JavaLangRefAccess() {
    @Override
    public boolean tryHandlePendingReference() {
      return tryHandlePending(false);
    }
  });
}


static boolean tryHandlePending(boolean waitForNotify) {
  Reference<Object> r;
  Cleaner c;
  try {
    synchronized (lock) {
      if (pending != null) {
        r = pending;
        //如果當(dāng)前Reference對(duì)象是Cleaner類型的就進(jìn)行特殊處理
        c = r instanceof Cleaner ? (Cleaner) r : null;
        // unlink 'r' from 'pending' chain
        pending = r.discovered;
        r.discovered = null;
      } else {
        // The waiting on the lock may cause an OutOfMemoryError
        // because it may try to allocate exception objects.
        if (waitForNotify) {
          lock.wait();
        }
        // retry if waited
        return waitForNotify;
      }
    }
  } catch (OutOfMemoryError x) {
    Thread.yield();
    // retry
    return true;
  } catch (InterruptedException x) {
    // retry
    return true;
  }

  // clean 不為空的時(shí)候,走清理的邏輯
  if (c != null) {
    c.clean();
    return true;
  }

  ReferenceQueue<? super Object> q = r.queue;
  if (q != ReferenceQueue.NULL) q.enqueue(r);
  return true;
}

tryHandlePending這段代碼的意思是:

如果一個(gè)對(duì)象經(jīng)過(guò)JVM檢測(cè)他已經(jīng)沒(méi)有強(qiáng)引用了,但是還有 弱引用 或者 軟引用 或者 虛引用的情況下,那么就會(huì)把此對(duì)象放到一個(gè)名為pending的鏈表里,這個(gè)鏈表是通過(guò)Reference.discovered域連接在一起的。

ReferenceHandler這個(gè)線程會(huì)一直從鏈表中取出被pending的對(duì)象,它可能是WeakReference,也可能是SoftReference,當(dāng)然也可能是PhantomReference和Cleaner。如果是Cleaner,那就直接調(diào)用Cleaner的clean方法,然后就結(jié)束了。其他的情況下,要交給這個(gè)對(duì)象所關(guān)聯(lián)的queue,以便于后續(xù)的處理。

關(guān)于堆外內(nèi)存分配和回收的代碼我們就先分析到這里。需要注意的是對(duì)外內(nèi)存回收的時(shí)機(jī)也是不確定的,所以不要持續(xù)分配一些大對(duì)象到堆外,如果沒(méi)有被回收掉,這是一件很可怕的事情。畢竟它無(wú)法被JVM檢測(cè)到。

內(nèi)存屏障

硬件層的內(nèi)存屏障分為兩種:Load BarrierStore Barrier即讀屏障和寫屏障。內(nèi)存屏障有兩個(gè)作用:阻止屏障兩側(cè)的指令重排序;強(qiáng)制把寫緩沖區(qū)/高速緩存中的臟數(shù)據(jù)等寫回主內(nèi)存,讓緩存中相應(yīng)的數(shù)據(jù)失效。在Unsafe中提供了三個(gè)方法來(lái)操作內(nèi)存屏障:

//讀屏障,禁止load操作重排序。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();
//寫屏障,禁止store操作重排序。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();
//全能屏障,禁止load、store操作重排序
public native void fullFence();

先簡(jiǎn)單了解兩個(gè)指令:

  • Store:將處理器緩存的數(shù)據(jù)刷新到內(nèi)存中。
  • Load:將內(nèi)存存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)拷貝到處理器的緩存中。

JVM平臺(tái)提供了一下幾種內(nèi)存屏障:

屏障類型 指令示例 說(shuō)明
LoadLoad Barriers Load1;LoadLoad;Load2 該屏障確保Load1數(shù)據(jù)的裝載先于Load2及其后所有裝載指令的的操作
StoreStore Barriers Store1;StoreStore;Store2 該屏障確保Store1立刻刷新數(shù)據(jù)到內(nèi)存(使其對(duì)其他處理器可見(jiàn))該操作先于Store2及其后所有存儲(chǔ)指令的操作
LoadStore Barriers Load1;LoadStore;Store2 確保Load1的數(shù)據(jù)裝載先于Store2及其后所有的存儲(chǔ)指令刷新數(shù)據(jù)到內(nèi)存的操作
StoreLoad Barriers Store1;StoreLoad;Load2 該屏障確保Store1立刻刷新數(shù)據(jù)到內(nèi)存的操作先于Load2及其后所有裝載裝載指令的操作。它會(huì)使該屏障之前的所有內(nèi)存訪問(wèn)指令(存儲(chǔ)指令和訪問(wèn)指令)完成之后,才執(zhí)行該屏障之后的內(nèi)存訪問(wèn)指令

StoreLoad Barriers同時(shí)具備其他三個(gè)屏障的效果,因此也稱之為全能屏障(mfence),是目前大多數(shù)處理器所支持的;但是相對(duì)其他屏障,該屏障的開銷相對(duì)昂貴。

loadFence

實(shí)現(xiàn)了LoadLoad Barriers,該操作禁止了指令的重排序。

storeFence

實(shí)現(xiàn)了 StoreStore Barriers,確保屏障前的寫操作能夠立刻刷入到主內(nèi)存,并且確保屏障前的寫操作一定先于屏障后的寫操作。即保證了內(nèi)存可見(jiàn)性和禁止指令重排序。

fullFence

實(shí)現(xiàn)了 StoreLoad Barriers,強(qiáng)制所有在mfence指令之前的store/load指令,都在該mfence指令執(zhí)行之前被執(zhí)行;所有在mfence指令之后的store/load指令,都在該mfence指令執(zhí)行之后被執(zhí)行。

在 JDK 中調(diào)用了 內(nèi)存屏障這幾個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)類有 StampedLock。關(guān)于StampedLock的實(shí)現(xiàn)我們后面會(huì)專門抽出一篇去講解。它并沒(méi)有去實(shí)現(xiàn)AQS隊(duì)列。而是采用了 其他方式實(shí)現(xiàn)。

系統(tǒng)相關(guān)

這部分包含兩個(gè)獲取系統(tǒng)相關(guān)信息的方法。

//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))。
public native int addressSize();  
//內(nèi)存頁(yè)的大小,此值為2的冪次方。
public native int pageSize();

java.nio下的Bits類中調(diào)用了pagesize()方法計(jì)算系統(tǒng)中頁(yè)大?。?/code>

private static int pageSize = -1;

static int pageSize() {
    if (pageSize == -1)
        pageSize = unsafe().pageSize();
    return pageSize;
}

線程調(diào)度

線程調(diào)度中提供的方法包括:線程的掛起,恢復(fù) 和 對(duì)象鎖機(jī)制等,其中獲取對(duì)象的監(jiān)視器鎖方法已經(jīng)被標(biāo)記為棄用。

// 終止掛起的線程,恢復(fù)正常.java.util.concurrent包中掛起操作都是在LockSupport類實(shí)現(xiàn)的,其底層正是使用這兩個(gè)方法
public native void unpark(Object thread);
// 線程調(diào)用該方法,線程將一直阻塞直到超時(shí),或者是中斷條件出現(xiàn)。
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);

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()后,線程將一直 阻塞 直到 超時(shí) 或者 中斷 等條件出現(xiàn)。unpark可以釋放一個(gè)被掛起的線程,使其恢復(fù)正常。整個(gè)并發(fā)框架中對(duì)線程的掛起操作被封裝在LockSupport類中,LockSupport 類中有各種版本 pack 方法,但最終都調(diào)用了Unsafe.park()方法。 我們來(lái)看一個(gè)例子:

package leetcode;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.TimeUnit;

/**
 * @author: rickiyang
 * @date: 2019/8/10
 * @description:
 */
public class TestUsafe {

    private static Thread mainThread;


    public Unsafe getUnsafe() throws Exception {
        Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        theUnsafeField.setAccessible(true);
        return (Unsafe) theUnsafeField.get(null);
    }

    public void testPark() throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        mainThread = Thread.currentThread();

        System.out.println(String.format("park %s", mainThread.getName()));
        unsafe.park(false, TimeUnit.SECONDS.toNanos(3));

        new Thread(() -> {
            System.out.println(String.format("%s unpark %s", Thread.currentThread().getName(),
                                             mainThread.getName()));
            unsafe.unpark(mainThread);
        }).start();
        System.out.println("main thread is done");

    }

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        TestUsafe testUsafe = new TestUsafe();
        testUsafe.testPark();
    }

}

運(yùn)行上面的例子,那你會(huì)發(fā)現(xiàn)在第29行 park方法設(shè)置了超時(shí)時(shí)間為3秒后,會(huì)阻塞當(dāng)前主線程,直到超時(shí)時(shí)間到達(dá),下面的代碼才會(huì)繼續(xù)執(zhí)行。

對(duì)象操作

Unsafe類中提供了多個(gè)方法來(lái)進(jìn)行 對(duì)象實(shí)例化 和 獲取對(duì)象的偏移地址 的操作:

// 傳入一個(gè)Class對(duì)象并創(chuàng)建該實(shí)例對(duì)象,但不會(huì)調(diào)用構(gòu)造方法
public native Object allocateInstance(Class<?> cls) throws InstantiationException;

// 獲取字段f在實(shí)例對(duì)象中的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);

// 返回值就是f.getDeclaringClass()
public native Object staticFieldBase(Field f);
// 靜態(tài)屬性的偏移量,用于在對(duì)應(yīng)的Class對(duì)象中讀寫靜態(tài)屬性
public native long staticFieldOffset(Field f);

// 獲得給定對(duì)象偏移量上的int值,所謂的偏移量可以簡(jiǎn)單理解為指針指向該變量;的內(nèi)存地址,
// 通過(guò)偏移量便可得到該對(duì)象的變量,進(jìn)行各種操作
public native int getInt(Object o, long offset);
// 設(shè)置給定對(duì)象上偏移量的int值
public native void putInt(Object o, long offset, int x);

// 獲得給定對(duì)象偏移量上的引用類型的值
public native Object getObject(Object o, long offset);
// 設(shè)置給定對(duì)象偏移量上的引用類型的值
public native void putObject(Object o, long offset, Object x););

// 設(shè)置給定對(duì)象的int值,使用volatile語(yǔ)義,即設(shè)置后立馬更新到內(nèi)存對(duì)其他線程可見(jiàn)
public native void putIntVolatile(Object o, long offset, int x);
// 獲得給定對(duì)象的指定偏移量offset的int值,使用volatile語(yǔ)義,總能獲取到最新的int值。
public native int getIntVolatile(Object o, long offset);

// 與putIntVolatile一樣,但要求被操作字段必須有volatile修飾
public native void putOrderedInt(Object o, long offset, int x);

allocateInstance方法在這幾個(gè)場(chǎng)景下很有用:跳過(guò)對(duì)象的實(shí)例化階段(通過(guò)構(gòu)造函數(shù))、忽略構(gòu)造函數(shù)的安全檢查(反射newInstance()時(shí))、你需要某類的實(shí)例但該類沒(méi)有public的構(gòu)造函數(shù)。

另外,Java 最新核心技術(shù)系列教程和示例源碼看這里:https://github.com/javastacks/javastack

舉個(gè)例子:

public class User {

    private String name;
    private int age;
    private static String address = "beijing";

    public User(){
        name = "xiaoming";
    }

    public String getname(){
        return name;
    }
}

	/**
     * 實(shí)例化對(duì)象
     * @throws Exception
     */
public void newInstance() throws Exception{
    TestUsafe testUsafe = new TestUsafe();
    Unsafe unsafe = testUsafe.getUnsafe();
    User user = new User();
    System.out.println(user.getname());

    User user1 = User.class.newInstance();
    System.out.println(user1.getname());

    User o = (User)unsafe.allocateInstance(User.class);
    System.out.println(o.getname());
}

打印的結(jié)果可以看到最后輸出的是null,說(shuō)明構(gòu)造函數(shù)未被加載??梢赃M(jìn)一步實(shí)驗(yàn),將User類中的構(gòu)造函數(shù)設(shè)置為 private,你會(huì)發(fā)現(xiàn)在前面兩種實(shí)例化方式檢查期就報(bào)錯(cuò)。但是第三種是可以用的。這是因?yàn)?code>allocateInstance只是給對(duì)象分配了內(nèi)存,它并不會(huì)初始化對(duì)象中的屬性。

下面是對(duì)象操作的使用示例:

public void testObject() throws Exception{
    TestUsafe testUsafe = new TestUsafe();
    Unsafe unsafe = testUsafe.getUnsafe();

    //通過(guò)allocateInstance創(chuàng)建對(duì)象,為其分配內(nèi)存地址,不會(huì)加載構(gòu)造函數(shù)
    User user = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
    System.out.println(user);

    // Class && Field
    Class<? extends User> userClass = user.getClass();
    Field name = userClass.getDeclaredField("name");
    Field age = userClass.getDeclaredField("age");
    Field location = userClass.getDeclaredField("address");

    // 獲取實(shí)例域name和age在對(duì)象內(nèi)存中的偏移量并設(shè)置值
    System.out.println(unsafe.objectFieldOffset(name));
    unsafe.putObject(user, unsafe.objectFieldOffset(name), "xiaoming");
    System.out.println(unsafe.objectFieldOffset(age));
    unsafe.putInt(user, unsafe.objectFieldOffset(age), 18);
    System.out.println(user);

    // 獲取定義location字段的類
    Object staticFieldBase = unsafe.staticFieldBase(location);
    System.out.println(staticFieldBase);

    // 獲取static變量address的偏移量
    long staticFieldOffset = unsafe.staticFieldOffset(location);
    // 獲取static變量address的值
    System.out.println(unsafe.getObject(staticFieldBase, staticFieldOffset));
    // 設(shè)置static變量address的值
    unsafe.putObject(staticFieldBase, staticFieldOffset, "tianjin");
    System.out.println(user + " " + user.getAddress());
}

對(duì)象實(shí)例布局與內(nèi)存大小

一個(gè)Java對(duì)象占用多大的內(nèi)存空間呢?這個(gè)問(wèn)題很值得讀者朋友去查一下。 因?yàn)檫@個(gè)輸出本篇的重點(diǎn)所以簡(jiǎn)單說(shuō)一下。一個(gè) Java 對(duì)象在內(nèi)存中由對(duì)象頭、示例數(shù)據(jù)和對(duì)齊填充構(gòu)成。對(duì)象頭存儲(chǔ)了對(duì)象運(yùn)行時(shí)的基本數(shù)據(jù),如 hashCode、鎖狀態(tài)、GC 分代年齡、類型指針等等。實(shí)例數(shù)據(jù)是對(duì)象中的非靜態(tài)字段值,可能是一個(gè)原始類型的值,也可能是一個(gè)指向其他對(duì)象的指針。對(duì)齊填充就是 padding,保證對(duì)象都采用 8 字節(jié)對(duì)齊。除此以外,在 64 位虛擬機(jī)中還可能會(huì)開啟指針壓縮,將 8 字節(jié)的指針壓縮為 4 字節(jié),這里就不再過(guò)多介紹了。

也就是說(shuō)一個(gè) Java 對(duì)象在內(nèi)存中,首先是對(duì)象頭,然后是各個(gè)類中字段的排列,這之間可能會(huì)有 padding 填充。這樣我們大概就能理解字段偏移量的含義了,它實(shí)際就是每個(gè)字段在內(nèi)存中所處的位置。

public class User {

    private String name;
    private int age;
}

TestUsafe testUsafe = new TestUsafe();
Unsafe unsafe = testUsafe.getUnsafe();

for (Field field : User.class.getDeclaredFields()) {
    System.out.println(field.getName() + "-" + field.getType() + ": " + unsafe.objectFieldOffset(field));
}

結(jié)果:
name-class java.lang.String: 16
age-int: 12

從上面的運(yùn)行結(jié)果中可以:
age:偏移值為12,即前面 12 個(gè)字節(jié)的對(duì)象頭;

name:name從16字節(jié)開始,因?yàn)閕nt 類型的age占了4個(gè)字節(jié)。

繼續(xù)算下去整個(gè)對(duì)象占用的空間,對(duì)象頭12,age 4,name 是指針類型,開啟指針壓縮占用4個(gè)字節(jié),那么User對(duì)象整個(gè)占用20字節(jié),因?yàn)樯厦嬲f(shuō)的padding填充,必須8字節(jié)對(duì)齊,那么實(shí)際上會(huì)補(bǔ)上4個(gè)字節(jié)的填充,即一共占用了24個(gè)字節(jié)。

按照這種計(jì)算方式,我們可以字節(jié)寫一個(gè)計(jì)算size的工具類:

public static long sizeOf(Object o) throws Exception{
    TestUsafe testUsafe = new TestUsafe();
    Unsafe unsafe = testUsafe.getUnsafe();
    HashSet<Field> fields = new HashSet<Field>();
    Class c = o.getClass();
    while (c != Object.class) {
        for (Field f : c.getDeclaredFields()) {
            if ((f.getModifiers() & Modifier.STATIC) == 0) {
                fields.add(f);
            }
        }
        //如果有繼承父類的話,父類中的屬性也是要計(jì)算的
        c = c.getSuperclass();
    }
    //計(jì)算每個(gè)字段的偏移量,因?yàn)榈谝粋€(gè)字段的偏移量即在對(duì)象頭的基礎(chǔ)上偏移的
    //所以只需要比較當(dāng)前偏移量最大的字段即表示這是該對(duì)象最后一個(gè)字段的位置
    long maxSize = 0;
    for (Field f : fields) {
        long offset = unsafe.objectFieldOffset(f);
        if (offset > maxSize) {
            maxSize = offset;
        }
    }
    //上面計(jì)算的是對(duì)象最后一個(gè)字段的偏移量起始位置,java中對(duì)象最大長(zhǎng)度是8個(gè)字節(jié)(long)
    //這里的計(jì)算方式是 將 當(dāng)前偏移量 / 8 + 8字節(jié) 的padding
    return ((maxSize/8) + 1) * 8;
}

上面的工具類計(jì)算的結(jié)果也是24。

class相關(guān)操作

//靜態(tài)屬性的偏移量,用于在對(duì)應(yīng)的Class對(duì)象中讀寫靜態(tài)屬性
public native long staticFieldOffset(Field f);
//獲取一個(gè)靜態(tài)字段的對(duì)象指針
public native Object staticFieldBase(Field f);
//判斷是否需要初始化一個(gè)類,通常在獲取一個(gè)類的靜態(tài)屬性的時(shí)候(因?yàn)橐粋€(gè)類如果沒(méi)初始化,它的靜態(tài)屬性也不會(huì)初始化)使用。 當(dāng)且僅當(dāng)ensureClassInitialized方法不生效時(shí)返回false
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c);
//確保類被初始化
public native void ensureClassInitialized(Class<?> c);
//定義一個(gè)類,可用于動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類,此方法會(huì)跳過(guò)JVM的所有安全檢查,默認(rèn)情況下,ClassLoader(類加載器)和ProtectionDomain(保護(hù)域)實(shí)例來(lái)源于調(diào)用者
public native Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,
                                   ClassLoader loader,
                                   ProtectionDomain protectionDomain);
//定義一個(gè)匿名類,可用于動(dòng)態(tài)創(chuàng)建類
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

數(shù)組操作

數(shù)組操作主要有兩個(gè)方法:

//返回?cái)?shù)組中第一個(gè)元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> arrayClass);
//返回?cái)?shù)組中一個(gè)元素占用的大小
public native int arrayIndexScale(Class<?> arrayClass);

CAS操作

相信所有的開發(fā)者對(duì)這個(gè)詞都不陌生,在AQS類中使用了無(wú)鎖的方式來(lái)進(jìn)行并發(fā)控制,主要就是CAS的功勞。

CAS的全稱是Compare And Swap 即比較交換,其算法核心思想如下

執(zhí)行函數(shù):CAS(V,E,N)

包含3個(gè)參數(shù)

  • V表示要更新的變量
  • E表示預(yù)期值
  • N表示新值

如果V值等于E值,則將V的值設(shè)為N。若V值和E值不同,則說(shuō)明已經(jīng)有其他線程做了更新,則當(dāng)前線程什么都不做。通俗的理解就是CAS操作需要我們提供一個(gè)期望值,當(dāng)期望值與當(dāng)前線程的變量值相同時(shí),說(shuō)明沒(méi)有別的線程修改該值,當(dāng)前線程可以進(jìn)行修改,也就是執(zhí)行CAS操作,但如果期望值與當(dāng)前線程不符,則說(shuō)明該值已被其他線程修改,此時(shí)不執(zhí)行更新操作,但可以選擇重新讀取該變量再嘗試再次修改該變量,也可以放棄操作。

Unsafe類中提供了三個(gè)方法來(lái)進(jìn)行CAS操作:

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);

另外,在 JDK1.8中新增了幾個(gè) CAS 的方法,他們的實(shí)現(xiàn)是基于上面三個(gè)方法做的一層封裝:

//1.8新增,給定對(duì)象o,根據(jù)獲取內(nèi)存偏移量指向的字段,將其增加delta,
 //這是一個(gè)CAS操作過(guò)程,直到設(shè)置成功方能退出循環(huán),返回舊值
 public final int getAndAddInt(Object o, long offset, int delta) {
     int v;
     do {
         //獲取內(nèi)存中最新值
         v = getIntVolatile(o, offset);
       //通過(guò)CAS操作
     } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, v + delta));
     return v;
 }

//1.8新增,方法作用同上,只不過(guò)這里操作的long類型數(shù)據(jù)
 public final long getAndAddLong(Object o, long offset, long delta) {
     long v;
     do {
         v = getLongVolatile(o, offset);
     } while (!compareAndSwapLong(o, offset, v, v + delta));
     return v;
 }

 //1.8新增,給定對(duì)象o,根據(jù)獲取內(nèi)存偏移量對(duì)于字段,將其 設(shè)置為新值newValue,
 //這是一個(gè)CAS操作過(guò)程,直到設(shè)置成功方能退出循環(huán),返回舊值
 public final int getAndSetInt(Object o, long offset, int newValue) {
     int v;
     do {
         v = getIntVolatile(o, offset);
     } while (!compareAndSwapInt(o, offset, v, newValue));
     return v;
 }

// 1.8新增,同上,操作的是long類型
 public final long getAndSetLong(Object o, long offset, long newValue) {
     long v;
     do {
         v = getLongVolatile(o, offset);
     } while (!compareAndSwapLong(o, offset, v, newValue));
     return v;
 }

 //1.8新增,同上,操作的是引用類型數(shù)據(jù)
 public final Object getAndSetObject(Object o, long offset, Object newValue) {
     Object v;
     do {
         v = getObjectVolatile(o, offset);
     } while (!compareAndSwapObject(o, offset, v, newValue));
     return v;
 }

CAS在java.util.concurrent.atomic相關(guān)類、Java AQS、CurrentHashMap等實(shí)現(xiàn)上有非常廣泛的應(yīng)用。

到此這篇關(guān)于Java 中的 Unsafe 魔法類的作用大全的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Java nsafe 魔法類內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!

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