死磕 java魔法类之Unsafe解析

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问题

(1)Unsafe是什么?

(2)Unsafe只有CAS的功能吗?

(3)Unsafe为什么是不安全的?

(4)怎么使用Unsafe?

简介

本章是java并发包专题的第一章,但是第一篇写的却不是java并发包中类,而是java中的魔法类sun.misc.Unsafe。

Unsafe为我们提供了访问底层的机制,这种机制仅供java核心类库使用,而不应该被普通用户使用。

但是,为了更好地了解java的生态体系,我们应该去学习它,去了解它,不求深入到底层的C/C++代码,但求能了解它的基本功能。

获取Unsafe的实例

查看Unsafe的源码我们会发现它提供了一个getUnsafe()的静态方法。

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

但是,如果直接调用这个方法会抛出一个SecurityException异常,这是因为Unsafe仅供java内部类使用,外部类不应该使用它。

那么,我们就没有方法了吗?

当然不是,我们有反射啊!查看源码,我们发现它有一个属性叫theUnsafe,我们直接通过反射拿到它即可。

public class UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        f.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);
    }
}

使用Unsafe实例化一个类

假如我们有一个简单的类如下:

class User {
    int age;

    public User() {
        this.age = 10;
    }
}

如果我们通过构造方法实例化这个类,age属性将会返回10。

User user1 = new User();
// 打印10
System.out.println(user1.age);

如果我们调用Unsafe来实例化呢?

User user2 = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
// 打印0
System.out.println(user2.age);

age将返回0,因为Unsafe.allocateInstance()只会给对象分配内存,并不会调用构造方法,所以这里只会返回int类型的默认值0。

修改私有字段的值

使用Unsafe的putXXX()方法,我们可以修改任意私有字段的值。

public class UnsafeTest {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        f.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

        User user = new User();
        Field age = user.getClass().getDeclaredField("age");
        unsafe.putInt(user, unsafe.objectFieldOffset(age), 20);

        // 打印20
        System.out.println(user.getAge());
    }
}

class User {
    private int age;

    public User() {
        this.age = 10;
    }

    public int getAge() {
        return age;
    }
}

一旦我们通过反射调用得到字段age,我们就可以使用Unsafe将其值更改为任何其他int值。(当然,这里也可以通过反射直接修改)

抛出checked异常

我们知道如果代码抛出了checked异常,要不就使用try...catch捕获它,要不就在方法签名上定义这个异常,但是,通过Unsafe我们可以抛出一个checked异常,同时却不用捕获或在方法签名上定义它。

// 使用正常方式抛出IOException需要定义在方法签名上往外抛
public static void readFile() throws IOException {
    throw new IOException();
}
// 使用Unsafe抛出异常不需要定义在方法签名上往外抛
public static void readFileUnsafe() {
    unsafe.throwException(new IOException());
}

使用堆外内存

如果进程在运行过程中JVM上的内存不足了,会导致频繁的进行GC。理想情况下,我们可以考虑使用堆外内存,这是一块不受JVM管理的内存。

使用Unsafe的allocateMemory()我们可以直接在堆外分配内存,这可能非常有用,但我们要记住,这个内存不受JVM管理,因此我们要调用freeMemory()方法手动释放它。

假设我们要在堆外创建一个巨大的int数组,我们可以使用allocateMemory()方法来实现:

class OffHeapArray {
    // 一个int等于4个字节
    private static final int INT = 4;
    private long size;
    private long address;

    private static Unsafe unsafe;
    static {
        try {
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) f.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    // 构造方法,分配内存
    public OffHeapArray(long size) {
        this.size = size;
        // 参数字节数
        address = unsafe.allocateMemory(size * INT);
    }
    
    // 获取指定索引处的元素
    public int get(long i) {
        return unsafe.getInt(address + i * INT);
    }
    // 设置指定索引处的元素
    public void set(long i, int value) {
        unsafe.putInt(address + i * INT, value);
    }
    // 元素个数
    public long size() {
        return size;
    }
    // 释放堆外内存
    public void freeMemory() {
        unsafe.freeMemory(address);
    }
}

在构造方法中调用allocateMemory()分配内存,在使用完成后调用freeMemory()释放内存。

使用方式如下:

OffHeapArray offHeapArray = new OffHeapArray(4);
offHeapArray.set(0, 1);
offHeapArray.set(1, 2);
offHeapArray.set(2, 3);
offHeapArray.set(3, 4);
offHeapArray.set(2, 5); // 在索引2的位置重复放入元素

int sum = 0;
for (int i = 0; i < offHeapArray.size(); i++) {
    sum += offHeapArray.get(i);
}
// 打印12
System.out.println(sum);

offHeapArray.freeMemory();

最后,一定要记得调用freeMemory()将内存释放回操作系统。

CompareAndSwap操作

JUC下面大量使用了CAS操作,它们的底层是调用的Unsafe的CompareAndSwapXXX()方法。这种方式广泛运用于无锁算法,与java中标准的悲观锁机制相比,它可以利用CAS处理器指令提供极大的加速。

比如,我们可以基于Unsafe的compareAndSwapInt()方法构建线程安全的计数器。

class Counter {
    private volatile int count = 0;

    private static long offset;
    private static Unsafe unsafe;
    static {
        try {
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) f.get(null);
            offset = unsafe.objectFieldOffset(Counter.class.getDeclaredField("count"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void increment() {
        int before = count;
        // 失败了就重试直到成功为止
        while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, before, before + 1)) {
            before = count;
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }
}

我们定义了一个volatile的字段count,以便对它的修改所有线程都可见,并在类加载的时候获取count在类中的偏移地址。

在increment()方法中,我们通过调用Unsafe的compareAndSwapInt()方法来尝试更新之前获取到的count的值,如果它没有被其它线程更新过,则更新成功,否则不断重试直到成功为止。

我们可以通过使用多个线程来测试我们的代码:

Counter counter = new Counter();
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);

// 起100个线程,每个线程自增10000次
IntStream.range(0, 100)
    .forEach(i->threadPool.submit(()->IntStream.range(0, 10000)
        .forEach(j->counter.increment())));

threadPool.shutdown();

Thread.sleep(2000);

// 打印1000000
System.out.println(counter.getCount());

park/unpark

JVM在上下文切换的时候使用了Unsafe中的两个非常牛逼的方法park()和unpark()。

当一个线程正在等待某个操作时,JVM调用Unsafe的park()方法来阻塞此线程。

当阻塞中的线程需要再次运行时,JVM调用Unsafe的unpark()方法来唤醒此线程。

我们之前在分析java中的集合时看到了大量的LockSupport.park()/unpark(),它们底层都是调用的Unsafe的这两个方法。

总结

使用Unsafe几乎可以操作一切:

(1)实例化一个类;

(2)修改私有字段的值;

(3)抛出checked异常;

(4)使用堆外内存;

(5)CAS操作;

(6)阻塞/唤醒线程;

彩蛋

论实例化一个类的方式?

(1)通过构造方法实例化一个类;

(2)通过Class实例化一个类;

(3)通过反射实例化一个类;

(4)通过克隆实例化一个类;

(5)通过反序列化实例化一个类;

(6)通过Unsafe实例化一个类;

public class InstantialTest {

    private static Unsafe unsafe;
    static {
        try {
            Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            f.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) f.get(null);
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        // 1. 构造方法
        User user1 = new User();
        // 2. Class,里面实际也是反射
        User user2 = User.class.newInstance();
        // 3. 反射
        User user3 = User.class.getConstructor().newInstance();
        // 4. 克隆
        User user4 = (User) user1.clone();
        // 5. 反序列化
        User user5 = unserialize(user1);
        // 6. Unsafe
        User user6 = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);

        System.out.println(user1.age);
        System.out.println(user2.age);
        System.out.println(user3.age);
        System.out.println(user4.age);
        System.out.println(user5.age);
        System.out.println(user6.age);
    }

    private static User unserialize(User user1) throws Exception {
        ObjectOutputStream oos = new ObjectOutputStream(new FileOutputStream("D://object.txt"));
        oos.writeObject(user1);
        oos.close();

        ObjectInputStream ois = new ObjectInputStream(new FileInputStream("D://object.txt"));
        // 反序列化
        User user5 = (User) ois.readObject();
        ois.close();
        return user5;
    }

    static class User implements Cloneable, Serializable {
        private int age;

        public User() {
            this.age = 10;
        }

        @Override
        protected Object clone() throws CloneNotSupportedException {
            return super.clone();
        }
    }
}


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