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 !"); } }
以上就是本文的全部内容,希望对大家的学习有所帮助,也希望大家多多支持。
Java,Unsafe类
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