【Java】Unsafe源碼走讀及實戰應用

前言

Unsafe顧名思義，它不安全，要小心使用
Unsafe可以控制對象的記憶體申請和釋放，可以對記憶體通路進行控制
Unsafe本身僅是為JDK服務的，不推薦應用程式直接使用，且JDK可能随時會改動它

以下示範的JDK版本：1.8

1 使用

部分源碼：

Unsafe：
//私有變量
private static final Unsafe theUnsafe;

//私有構造函數
private Unsafe(){}

//私有變量初始化
static {
	......
	theUnsafe = new Unsafe();
	......
}

//公開擷取Unsafe對象
public static Unsafe getUnsafe() {
	Class arg = Reflection.getCallerClass();
	//判斷目前ClassLoader是否是頂層類加載器（null），是以一般情況下，隻有rt.jar中的類可以使用Unsafe對象
	if (!VM.isSystemDomainLoader(arg.getClassLoader())) {
	    throw new SecurityException("Unsafe");
	} else {
	    return theUnsafe;
	}
}
VM：
//判斷ClassLoader是否是頂層類加載器（null）
public static boolean isSystemDomainLoader(ClassLoader arg) {
	return arg == null;
}

分析：

Unsafe類是final類型，無法被其他類繼承
Unsafe構造函數為私有，不能通過正常途徑建立對象
Unsafe成員變量theUnsafe為私有，無法被外部通路
唯一的公開方法getUnsafe，限制了隻有rt.jar才能使用（或者是-Xbootclasspath指定class）

那咋辦？隻能靠反射了，通過構造函數或成員變量，都能擷取Unsafe對象：

/**
* 通過私有構造函數Unsafe()擷取Unsafe
* 
* @return
* @throws Exception
*/
public static Unsafe getUnsafeByContructor() throws Exception {
	// 擷取私有無參構造函數Unsafe()
	Constructor<Unsafe> constructor = Unsafe.class.getDeclaredConstructor();
	// 關閉安全檢查,不代表一定可以通路,但一定可以減小安全檢查的資源消耗,常用于反射類功能中
	constructor.setAccessible(true);
	Unsafe unsafe = (Unsafe) constructor.newInstance();
	return unsafe;
}
/**
* 通過私有成員變量theUnsafe擷取Unsafe對象
* 
* @return
* @throws Exception
*/
public static Unsafe getUnsafeByField() throws Exception {
	// 擷取私有成員變量theUnsafe
	Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
	// 關閉安全檢查,不代表一定可以通路,但一定可以減小安全檢查的資源消耗,常用于反射類功能中
	unsafeField.setAccessible(true);
	Unsafe unsafe = (Unsafe) unsafeField.get(null);
	return unsafe;
}

2 并發安全

2.1 CAS

一種可以支援并發修改的判斷：

//1：待更新對象；2：記憶體位址-偏移量；3：目前預期值；4：待更新值；
//更新成功傳回true，否則為false
public final native boolean compareAndSwapObject(Object arg0, long arg1, Object arg3, Object arg4);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object arg0, long arg1, int arg3, int arg4);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object arg0, long arg1, long arg3, long arg5);

2.2 volatile

Object類型和8種基礎資料類型的18個Get和Put方法，包含volatile特性：工作記憶體中的值永遠最新；禁止指令重排。

public native Object getObjectVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putObjectVolatile(Object arg0, long arg1, Object arg3);
public native int getIntVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putIntVolatile(Object arg0, long arg1, int arg3);
public native boolean getBooleanVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putBooleanVolatile(Object arg0, long arg1, boolean arg3);
public native byte getByteVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putByteVolatile(Object arg0, long arg1, byte arg3);
public native short getShortVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putShortVolatile(Object arg0, long arg1, short arg3);
public native char getCharVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putCharVolatile(Object arg0, long arg1, char arg3);
public native long getLongVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putLongVolatile(Object arg0, long arg1, long arg3);
public native float getFloatVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putFloatVolatile(Object arg0, long arg1, float arg3);
public native double getDoubleVolatile(Object arg0, long arg1);
public native void putDoubleVolatile(Object arg0, long arg1, double arg3);

2.3 CAS+Volatile

//給對象增加指定值：1-對象；2-記憶體位址；3-增加值
public final int getAndAddInt(Object arg0, long arg1, int arg3) {
	int arg4;
	do {
	    arg4 = this.getIntVolatile(arg0, arg1);
	} while (!this.compareAndSwapInt(arg0, arg1, arg4, arg4 + arg3));

	return arg4;
}

public final long getAndAddLong(Object arg0, long arg1, long arg3) {
	......
}
//給對象賦予指定值：1-對象；2-記憶體位址；3-賦予值
public final int getAndSetInt(Object arg0, long arg1, int arg3) {
	int arg4;
	do {
	    arg4 = this.getIntVolatile(arg0, arg1);
	} while (!this.compareAndSwapInt(arg0, arg1, arg4, arg3));

	return arg4;
}

public final long getAndSetLong(Object arg0, long arg1, long arg3) {
	......
}

public final Object getAndSetObject(Object arg0, long arg1, Object arg3) {
	......
}

2.4 記憶體屏障

//記憶體屏障，禁止load操作重排序，即屏障前的load操作不能被重排序到屏障後，屏障後的load操作不能被重排序到屏障前
//即a=1;loadFence();b=2;那麼工作記憶體中一定是先發生a=1，然後再發生b=2；
public native void loadFence();

//記憶體屏障，禁止store操作重排序，即屏障前的store操作不能被重排序到屏障後，屏障後的store操作不能被重排序到屏障前
//即a=1;storeFence();b=2;那麼主記憶體中一定是先發生a=1，然後再發生b=2；工作記憶體中，可能先b=2，後a=1；
public native void storeFence();

//記憶體屏障，禁止load、store操作重排序
//即a=1;fullFence();b=2;那麼工作記憶體和主記憶體都是先發生a=1，然後再發生b=2；
public native void fullFence();

volatile和記憶體屏障不了解的可以看：java記憶體模型與線程

2.5 有序寫入

//設定對象var1中offset偏移位址var2對應的Object型field的值為指定值var4
public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4);

public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);

public native void putOrderedLong(Object var1, long var2, long var4);

3 其他功能

僅了解即可，用到或見到時候便于檢視。

3.1 非堆記憶體操作

//獲得本地指針
public native long getAddress(long address);
//存儲本地指針到給定的記憶體位址
public native void putAddress(long address, long x);
  
//配置設定記憶體
public native long allocateMemory(long bytes);
//重新配置設定記憶體
public native long reallocateMemory(long address, long bytes);

//初始化記憶體内容
public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value);
public void setMemory(long address, long bytes, byte value) {
 setMemory(null, address, bytes, value);
}

//記憶體内容拷貝
public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset,long bytes);
public void copyMemory(long srcAddress, long destAddress, long bytes) {
 copyMemory(null, srcAddress, null, destAddress, bytes);
}

//釋放記憶體
public native void freeMemory(long address)

//傳回指針的大小,傳回值為4或8
public native int addressSize();
//記憶體頁的大小
public native int pageSize();

3.2 偏移量操作

//靜态屬性存儲配置設定中的位置(偏移位址)。
public native long staticFieldOffset(Field arg0);

//非靜态屬性存儲配置設定中的位置(偏移位址)
public native long objectFieldOffset(Field arg0);

//傳回給定的靜态屬性的位置，配合staticFieldOffset方法使用。傳回值是靜态屬性所在的Class對象的一個記憶體快照
//例:unsafe.getObject(unsafe.staticFieldBase(name), unsafe.staticFieldOffset(name))
public native Object staticFieldBase(Field arg0);

//傳回數組中第一個元素實際位址相對整個數組對象的位址的偏移量
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);

//傳回數組中第一個元素所占用的記憶體空間
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

3.3 對象操作

類似2.2volatile資料操作，僅是沒有volatile特性，同樣有18個方法，僅展示int類型的：

//獲得給定位址上的int值
public native int getInt(long address);
//設定給定位址上的int值
public native void putInt(long address, int x);

3.4 線程控制

//取消阻塞線程
public native void unpark(Object thread);
//阻塞線程
public native void park(boolean isAbsolute, long time);

3.5 Class操作

//檢測給定的類是否需要初始化。使用在擷取一個類的靜态屬性的時候(因為一個類如果沒初始化，它的靜态屬性也不會初始化)
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> arg0);

//檢測給定的類是否已經初始化，使用場景同上
public native void ensureClassInitialized(Class<?> arg0);

//定義一個類，傳回類執行個體，此方法會跳過JVM的所有安全檢查。
public native Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len,ClassLoader loader,ProtectionDomain protectionDomain);

//定義一個匿名類，可用于動态建立類
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);

//建立一個類的執行個體，但不會調用這個執行個體的構造方法，如果這個類還未被初始化，則初始化這個類
public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;

4 實作自定義原子類

直接看代碼：

public class CASTest {

    public static CountDownLatch latch;

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        CASInteger CASInteger = new CASInteger(0);
        Runnable casAdd = () -> {
            //每個線程修改1萬次
            for(int i = 0; i < 10000; i++){
                CASInteger.casIncreament();
            }
            latch.countDown();
        };
        //線程數量100個
        int threadNum = 100;
        latch = new CountDownLatch(threadNum);
        long start = System.currentTimeMillis();
        //啟動所有線程
        for(int i = 0; i < threadNum; i++){
            new Thread(casAdd).start();
        }
        //等待所有線程結束，
        latch.await();
        System.out.println("time cost : " + (System.currentTimeMillis() - start)+" ms");
        System.out.println("result: " + CASInteger.getValue());
    }
}

/**
 * 自定義CAS-Integer，Thread Safe
 */
class CASInteger {
    private sun.misc.Unsafe unsafe;
    private long offset;
    private volatile int value ;

    public CASInteger(int value) throws Exception {
        this.value = value;
        //擷取Unsafe對象
        unsafe = getUnsafeByContructor();
        //目前對象的偏移量
        offset = unsafe.objectFieldOffset(CASInteger.class.getDeclaredField("value"));
    }

    /**
     * 安全自增，僅當更新值比目前對象值多1時，才能更新成功。
     */
    public void casIncreament(){
        //效果等價于：unsafe.getAndAddInt(this, offset, 1);
        while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, value, value + 1)){
        }
    }

    public int getValue() {
        return value;
    }

    /**
     * 通過私有構造函數Unsafe()擷取Unsafe
     *
     * @return
     * @throws Exception
     */
    private static Unsafe getUnsafeByContructor() throws Exception {
        // 擷取私有無參構造函數Unsafe()
        Constructor<Unsafe> constructor = Unsafe.class.getDeclaredConstructor();
        // 關閉安全檢查,不代表一定可以通路,但一定可以減小安全檢查的資源消耗,常用于反射類功能中
        constructor.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) constructor.newInstance();
        return unsafe;
    }
}

結果：146毫秒，自增100萬次，資料正确

time cost : 113 ms
result: 1000000

PS：value類型是volatile的int類型，為了保證資料可見；compareAndSwapInt傳參必須是int，不能是Integer，不然可能會記憶體奔潰哦。

愛家人，愛生活，愛設計，愛程式設計，擁抱精彩人生！

【Java】Unsafe源碼走讀及實戰應用

前言

1 使用

2 并發安全

2.1 CAS

2.2 volatile

2.3 CAS+Volatile

2.4 記憶體屏障

2.5 有序寫入

3 其他功能

3.1 非堆記憶體操作

3.2 偏移量操作

3.3 對象操作

3.4 線程控制

3.5 Class操作

4 實作自定義原子類

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