简单谈一谈Java中的Unsafe类

unsafe类是啥？

java最初被设计为一种安全的受控环境。尽管如此，java hotspot还是包含了一个“后门”，提供了一些可以直接操控内存和线程的低层次操作。这个后门类——sun.misc.unsafe——被jdk广泛用于自己的包中，如java.nio和java.util.concurrent。但是丝毫不建议在生产环境中使用这个后门。因为这个api十分不安全、不轻便、而且不稳定。这个不安全的类提供了一个观察hotspot jvm内部结构并且可以对其进行修改。有时它可以被用来在不适用c++调试的情况下学习虚拟机内部结构，有时也可以被拿来做性能监控和开发工具。

引言

最近在看java并发包的源码，发现了神奇的unsafe类，仔细研究了一下，在这里跟大家分享一下。

unsafe类是在sun.misc包下，不属于java标准。但是很多java的基础类库，包括一些被广泛使用的高性能开发库都是基于unsafe类开发的，比如netty、cassandra、hadoop、kafka等。unsafe类在提升java运行效率，增强java语言底层操作能力方面起了很大的作用。

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。

通常我们最好也不要使用unsafe类，除非有明确的目的，并且也要对它有深入的了解才行。要想使用unsafe类需要用一些比较tricky的办法。unsafe类使用了单例模式，需要通过一个静态方法getunsafe()来获取。但unsafe类做了限制，如果是普通的调用的话，它会抛出一个securityexception异常；只有由主类加载器加载的类才能调用这个方法。其源码如下：

public static unsafe getunsafe() {
 class var0 = reflection.getcallerclass();
 if(!vm.issystemdomainloader(var0.getclassloader())) {
  throw new securityexception("unsafe");
 } else {
  return theunsafe;
 }
}

网上也有一些办法来用主类加载器加载用户代码，比如设置bootclasspath参数。但更简单方法是利用java反射，方法如下：

 field f = unsafe.class.getdeclaredfield("theunsafe");
 f.setaccessible(true);
 unsafe unsafe = (unsafe) f.get(null);

获取到unsafe实例之后，我们就可以为所欲为了。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。

总结

以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对的支持。