Java Unsafe类实现原理及测试代码
作者：bf378
Unsafe类介绍
第一次看到这个类时被它的名字吓到了，居然还有一个类自名Unsafe？读完本文，大家也能发现Unsafe类确实有点不那么安全，它能实现一些不那么常见的功能。
Unsafe类使Java拥有了像C语言的指针一样操作内存空间的能力，同时也带来了指针的问题。过度的使用Unsafe类会使得出错的几率变大，因此Java官方并不建议使用的，官方文档也几乎没有。Oracle正在计划从Java 9中去掉Unsafe类，如果真是如此影响就太大了。
Unsafe类提供了以下这些功能：
一、内存管理。包括分配内存、释放内存等。
该部分包括了allocateMemory（分配内存）、reallocateMemory（重新分配内存）、copyMemory（拷贝内存）、freeMemory（释放内存 ）、getAddress（获取内存地址）、addressSize、pageSize、getInt（获取内存地址指向的整数）、getIntVolatile（获取内存地址指向的整数，并支持volatile语义）、putInt（将整数写入指定内存地址）、putIntVolatile（将整数写入指定内存地址，并支持volatile语义）、putOrderedInt（将整数写入指定内存地址、有序或者有延迟的方法）等方法。getXXX和putXXX包含了各种基本类型的操作。
利用copyMemory方法，我们可以实现一个通用的对象拷贝方法，无需再对每一个对象都实现clone方法，当然这通用的方法只能做到对象浅拷贝。
二、非常规的对象实例化。
allocateInstance()方法提供了另一种创建实例的途径。通常我们可以用new或者反射来实例化对象，使用allocateInstance()方法可以直接生成对象实例，且无需调用构造方法和其它初始化方法。
这在对象反序列化的时候会很有用，能够重建和设置final字段，而不需要调用构造方法。
三、操作类、对象、变量。
这部分包括了staticFieldOffset（静态域偏移）、defineClass（定义类）、defineAnonymousClass（定义匿名类）、ensureClassInitialized（确保类初始化）、objectFieldOffset（对象域偏移）等方法。
通过这些方法我们可以获取对象的指针，通过对指针进行偏移，我们不仅可以直接修改指针指向的数据（即使它们是私有的），甚至可以找到JVM已经认定为垃圾、可以进行回收的对象。
四、数组操作。
这部分包括了arrayBaseOffset（获取数组第一个元素的偏移地址）、arrayIndexScale（获取数组中元素的增量地址）等方法。arrayBaseOffset与arrayIndexScale配合起来使用，就可以定位数组中每个元素在内存中的位置。
由于Java的数组最大值为Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe类的内存分配方法可以实现超大数组。实际上这样的数据就可以认为是C数组，因此需要注意在合适的时间释放内存。
五、多线程同步。包括锁机制、CAS操作等。
这部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。
其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已经被标记为deprecated，不建议使用。
Unsafe类的CAS操作可能是用的最多的，它为Java的锁机制提供了一种新的解决办法，比如AtomicInteger等类都是通过该方法来实现的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的锁机制，提高代码效率。这是一种乐观锁，通常认为在大部分情况下不出现竞态条件，如果操作失败，会不断重试直到成功。
六、挂起与恢复。
这部分包括了park、unpark等方法。
将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用 park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法。
七、内存屏障。
这部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。这是在Java 8新引入的，用于定义内存屏障，避免代码重排序。
loadFence() 表示该方法之前的所有load操作在内存屏障之前完成。同理storeFence()表示该方法之前的所有store操作在内存屏障之前完成。fullFence()表示该方法之前的所有load、store操作在内存屏障之前完成。
测试代码
import com.User;
import org.junit.Before;
import org.junit.Test;
import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
import java.util.ArrayList;
import java.util.UUID;
import java.util.concurrent.CountDownLatch;
class User {
public static String USER_CLASS_NAME = "User.class";
private int age;
private String name;
public int getAge() {
return age;
}
public String getName() {
return name;
}
public User(int age, String name) {
this.age = age;
this.name = name;
}
public void setAge(int age) {
this.age = age;
}
public void setName(String name) {
this.name = name;
}
}
public class LockTests {
Unsafe unSafe;
User u = new User(17, "zhangsan");
@Before
public void before() throws Exception {
Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
theUnsafeField.setAccessible(true);
unSafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(Unsafe.class);
}
@Test
public void objectFieldOffset() throws Exception {
// unSafe偏底层的一个Java工具类
java.util.List users = new ArrayList();
for (int i = 0; i < 10; i++) {
Field ageField = User.class.getDeclaredField("age");
User u = new User(18, "daxin");
users.add(u);
//使用内存获取User age字段在内存中的 offset
// 是相对地址，不是一个绝对地址
long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField);
// 每次都相同
System.out.println("ageOffset = " + ageOffset);
}
}
@Test
public void compareAndSwapInt() throws Exception {
// unSafe偏底层的一个Java工具类
Field ageField = User.class.getDeclaredField("age");
User u = new User(18, "daxin");
//使用内存获取User age字段在内存中的 offset
long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField);
// 修改之前的值
System.out.println(u.getAge());
// 进行CAS更新, 由于设置18 因此CAS 会成功
unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 20);
System.out.println(u.getAge());
// 由于age设置20 进行CAS失败
unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 22);
System.out.println(u.getAge());
}
@Test
public void ensureClassInitialized() {
System.out.println("==== start ====");
unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class);
// 再次 确认不会报错
unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class);
}
/**
* AQS 底层的Node链表就是基于这个工具实现的 。
*
* @throws Exception
*/
@Test
public void getValueByFieldOffset() throws Exception {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
User u = new User(18, UUID.randomUUID().toString().substring(i, 20));
int age = unSafe.getInt(u, 12L);
System.out.println("age = " + age);
// 获取名字 field offset
Field nameField = User.class.getDeclaredField("name");
long nameOffset = unSafe.objectFieldOffset(nameField);
System.out.println("nameOffset = " + nameOffset);
String name = unSafe.getObject(u, nameOffset) + "";
System.out.println("name = " + name);
}
}
@Test
public void pageSize() {
System.out.println("unSafe.pageSize() = " + unSafe.pageSize());
}
/**
* AtomicInteger 底层是基于getAndAddInt实现
*/
@Test
public void getAndAddInt() throws InterruptedException {
User u = new User(17, "zhangsan");
CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
downLatch.countDown();
int val = unSafe.getAndAddInt(u, 12L, 1);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " val = " + val);
}
}).start();
}
Thread.sleep(5000);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
}
@Test
public void getAndSetInt() throws InterruptedException {
User u = new User(17, "zhangsan");
CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
for (int i = 0; i < 10; i++) {
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
downLatch.countDown();
int val = unSafe.getAndSetInt(u, 12L, 10);
System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " val = " + val);
}
}).start();
}
Thread.sleep(5000);
System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge());
}
@Test
public void getIntVolatile() {
for (int i = 0; i < 10; i++) {
u.setAge(i);
/**
* @param obj the object containing the field to modify.
* @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>.
* @return
*/
int age = unSafe.getIntVolatile(u, 12L);
System.out.println("age = " + age);
}
}
// 系统负载采样的接口
@Test
public void getLoadAverage() {
double[] nums = new double[8];
int val = unSafe.getLoadAverage(nums, 8);
System.out.println(val);
}
/**
* //内存屏障，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();
* <p>
* <p>
* 参见：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
*/
@Test
public void loadFence() {
//java.util.concurrent.locks.StampedLock.validate
unSafe.loadFence();
}
/**
* //内存屏障，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();
* 参见：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
*/
@Test
public void storeFence() {
}
/**
* //内存屏障，禁止load、store操作重排序
* public native void fullFence();
* 参见：https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
*/
@Test
public void fullFence() {
}
@Test
public void shouldBeInitialized() {
boolean shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(String.class);
System.out.println(shouldBeInitialized);
shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(User.class);
System.out.println(shouldBeInitialized);
}
/**
* synchronized 的一种实现获取锁
*
* @throws InterruptedException
*/
@Test
public void monitorEnter() throws InterruptedException {
unSafe.monitorEnter(u);
new Thread(new Runnable() {
@Override
public void run() {
synchronized (u) {
System.out.println("==u lock got ==");
}
}
}).start();
Thread.sleep(2000);
unSafe.monitorExit(u);
}
@Test
public void compareAndSwap() {
// unSafe.compareAndSwapInt(对象, 对象中的字段偏移, 期望值, 设置值)
// unSafe.compareAndSwapLong(对象, 对象中的字段偏移, 期望值, 设置值)
// unSafe.compareAndSwapObject(对象, 对象中的字段偏移, 期望值, 设置值)
}
@Test
public void t() {
// 方法签名
// public void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset, long bytes)
// unSafe.copyMemory();
}
}
class ClassIsLoad {
static {
System.out.println("ClassIsLoad class Is Load !");
}
}
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