说一说Unsafe魔法类

这篇算是对 Unsafe 的一个总体概况，由于内容实在太多，后续会分开几篇文章对里面内容展开细讲

前言

Unsafe可以说是java的后门，类似西游记中的如来佛祖法力无边，Unsafe主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。

从名字角度看Unsafe是不安全的意思，使用这个类要极度谨慎，因为乱用这个类会增加程序的出错概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”

Unsafe提供的API大致可分为

• 内存操作
• CAS
• Class相关
• 对象操作
• 线程调度
• 系统信息获取
• 内存屏障
• 数组操作

基本

因为Unsafe是不安全的，所以它本身设计的时候也增加了使用者调用的难度。

// 私有构造器
private Unsafe() {
}

// 获取单例要检查调用者的类加载器是否是 BootStrap
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class var0 = Reflection.getCallerClass();
    if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
        throw new SecurityException("Unsafe");
    } else {
        return theUnsafe;
    }
}

要想使用这个类

1. 从getUnsafe方法的使用限制条件出发，通过Java命令行命令-Xbootclasspath/a把调用Unsafe相关方法的类A所在jar包路径追加到默认的bootstrap路径中，使得A被引导类加载器加载，从而通过Unsafe.getUnsafe方法安全的获取Unsafe实例

java -Xbootclasspath/a: ${path}   // 其中path为调用Unsafe相关方法的类所在jar包路径 

1. 通过反射获取单例对象theUnsafe

private static Unsafe getUnsafe() {
    try {
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        field.setAccessible(true);
        return (Unsafe) field.get(Unsafe.class);
    } catch (Exception e) {
        throw new Error(e);
    }
}

内存操作

这部分主要包含堆外内存的分配、拷贝、释放、给定地址值操作等方法。

// 分配内存, 相当于C++的malloc函数
public native long allocateMemory(long bytes);
// 扩充内存
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);
// 释放内存
public native void freeMemory(long address);
// 在给定的内存块中设置值
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
// 内存拷贝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes);
// 获取给定地址值，忽略修饰限定符的访问限制。与此类似操作还有: getInt，getDouble，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
// 为给定地址设置值，忽略修饰限定符的访问限制，与此类似操作还有: putInt,putDouble，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
// 获取给定地址的byte类型的值（当且仅当该内存地址为allocateMemory分配时，此方法结果为确定的）
public native byte getByte(long address);
// 为给定地址设置byte类型的值（当且仅当该内存地址为allocateMemory分配时，此方法结果才是确定的）
public native void putByte(long address, byte x);

使用堆外内存的原因

对垃圾回收停顿的改善。由于堆外内存是直接受操作系统管理而不是JVM，所以当我们使用堆外内存时，即可保持较小的堆内内存规模。从而在GC时减少回收停顿对于应用的影响。

提升程序I/O操作的性能。通常在I/O通信过程中，会存在堆内内存到堆外内存的数据拷贝操作，对于需要频繁进行内存间数据拷贝且生命周期较短的暂存数据，都建议存储到堆外内存

DirectByteBuffer对于堆外内存的创建、使用、销毁等逻辑均由Unsafe提供的堆外内存API来实现

DirectByteBuffer(int cap) {   

    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 {
        // 1. 分配内存 返回内存地址
        base = unsafe.allocateMemory(size);
    } catch (OutOfMemoryError x) {
        Bits.unreserveMemory(size, cap);
        throw x;
    }
    // 2. 内存初始化
    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;
    }
    // 3. 跟踪DirectByteBuffer对象的垃圾回收 实现堆外内存释放
    cleaner = Cleaner.create(this, new Deallocator(base, size, cap));
    att = null;

}

CAS相关

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? 即比较并替换，实现并发算法时常用到的一种技术。CAS操作包含三个操作数——内存位置、预期原值及新值。执行CAS操作的时候，将内存位置的值与预期原值比较，如果相匹配，那么处理器会自动将该位置值更新为新值，否则，处理器不做任何操作。我们都知道，CAS是一条CPU的原子指令（cmpxchg指令），不会造成所谓的数据不一致问题，Unsafe提供的CAS方法（如compareAndSwapXXX）底层实现即为CPU指令cmpxchg。

线程调度

这部分，包括线程挂起、恢复、锁机制等方法

//取消阻塞线程
public native void unpark(Object thread);
//阻塞线程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);
//获得对象锁（可重入锁）
@Deprecated
public native void monitorEnter(Object o);
//释放对象锁
@Deprecated
public native void monitorExit(Object o);
//尝试获取对象锁
@Deprecated
public native boolean tryMonitorEnter(Object o);

典型应用

Java锁和同步器框架的核心类AbstractQueuedSynchronizer，就是通过调用LockSupport.park()和LockSupport.unpark()实现线程的阻塞和唤醒的，而LockSupport的park、unpark方法实际是调用Unsafe的 park、unpark方式来实现。

Class相关

此部分主要提供Class和它的静态字段的操作相关方法，包含静态字段内存定位、定义类、定义匿名类、检验&确保初始化等。

//获取给定静态字段的内存地址偏移量，这个值对于给定的字段是唯一且固定不变的
public native long staticFieldOffset(Field f);
//获取一个静态类中给定字段的对象指针
public native Object staticFieldBase(Field f);
//判断是否需要初始化一个类，通常在获取一个类的静态属性的时候（因为一个类如果没初始化，它的静态属性也不会初始化）使用。 当且仅当ensureClassInitialized方法不生效时返回false。
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c);
//检测给定的类是否已经初始化。通常在获取一个类的静态属性的时候（因为一个类如果没初始化，它的静态属性也不会初始化）使用。
public native void ensureClassInitialized(Class<?> c);
//定义一个类，此方法会跳过JVM的所有安全检查，默认情况下，ClassLoader（类加载器）和ProtectionDomain（保护域）实例来源于调用者
public native Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ClassLoader loader, ProtectionDomain protectionDomain);
//定义一个匿名类
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

从Java 8开始，JDK使用invokedynamic及VM Anonymous Class结合来实现Java语言层面上的Lambda表达式。

invokedynamic： invokedynamic是Java 7为了实现在JVM上运行动态语言而引入的一条新的虚拟机指令，它可以实现在运行期动态解析出调用点限定符所引用的方法，然后再执行该方法，invokedynamic指令的分派逻辑是由用户设定的引导方法决定。

VM Anonymous Class：可以看做是一种模板机制，针对于程序动态生成很多结构相同、仅若干常量不同的类时，可以先创建包含常量占位符的模板类，而后通过Unsafe.defineAnonymousClass方法定义具体类时填充模板的占位符生成具体的匿名类。生成的匿名类不显式挂在任何ClassLoader下面，只要当该类没有存在的实例对象、且没有强引用来引用该类的Class对象时，该类就会被GC回收。故而VM Anonymous Class相比于Java语言层面的匿名内部类无需通过ClassClassLoader进行类加载且更易回收。

对象操作

主要包含对象成员属性相关操作及非常规的对象实例化方式等相关方法。

// 返回对象成员属性在内存地址相对于此对象的内存地址的偏移量
public native long objectFieldOffset(Field f);
// 获得给定对象的指定地址偏移量的值，与此类似操作还有：getInt，getDouble，getLong，getChar等
public native Object getObject(Object o, long offset);
// 给定对象的指定地址偏移量设值，与此类似操作还有：putInt，putDouble，putLong，putChar等
public native void putObject(Object o, long offset, Object x);
// 从对象的指定偏移量处获取变量的引用，使用volatile的加载语义
public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset);
// 存储变量的引用到对象的指定的偏移量处，使用volatile的存储语义
public native void putObjectVolatile(Object o, long offset, Object x);
// 有序、延迟版本的putObjectVolatile方法，不保证值的改变被其他线程立即看到。只有在field被volatile修饰符修饰时有效
public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x);
// 绕过构造方法、初始化代码来创建对象
public native Object allocateInstance(Class<?> cls) throws InstantiationException;

常规对象实例化方式：我们通常所用到的创建对象的方式，从本质上来讲，都是通过new机制来实现对象的创建。但是，new机制有个特点就是当类只提供有参的构造函数且无显示声明无参构造函数时，则必须使用有参构造函数进行对象构造，而使用有参构造函数时，必须传递相应个数的参数才能完成对象实例化。

非常规的实例化方式：而Unsafe中提供allocateInstance方法，仅通过Class对象就可以创建此类的实例对象，而且不需要调用其构造函数、初始化代码、JVM安全检查等。它抑制修饰符检测，也就是即使构造器是private修饰的也能通过此方法实例化，只需提类对象即可创建相应的对象。由于这种特性，allocateInstance在java.lang.invoke、Objenesis（提供绕过类构造器的对象生成方式）、Gson（反序列化时用到）中都有相应的应用。

内存屏障

在Java 8中引入，用于定义内存屏障（也称内存栅栏，内存栅障，屏障指令等，是一类同步屏障指令，是CPU或编译器在对内存随机访问的操作中的一个同步点，使得此点之前的所有读写操作都执行后才可以开始执行此点之后的操作），避免代码重排序。

// 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();
// 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();
// 内存屏障，禁止load、store操作重排序
public native void fullFence();

系统相关

这部分包含两个获取系统相关信息的方法。

// 返回系统指针的大小。返回值为4（32位系统）或 8（64位系统）。
public native int addressSize();  
// 内存页的大小，此值为2的幂次方。
public native int pageSize();

总结

我们可以看到Unsafe提供了很多便捷、有趣的API方法。即便如此，由于Unsafe中包含大量自主操作内存的方法，如若使用不当，会对程序带来许多不可控的灾难。因此对它的使用我们需要慎之又慎。