你一定不知道的Java Unsafe用法详解

unsafe是什么

首先我们说unsafe类位于rt.jar里面sun.misc包下面，unsafe翻译过来是不安全的，这倒不是说这个类是不安全的，而是说开发人员使用unsafe是不安全的，也就是不推荐开发人员直接使用unsafe。而且oracle jdk源码包里面是没有unsafe的源码的。其实juc包里面的类大部分都用到了unsafe，可以说unasfe是java并发包的基石。

如何正确地获取unsafe对象

我们从源码中看如何获取unsafe对象

private unsafe() {
}

首先构造方法私有化，这就说明我们不能通过new unsafe的方式创建unsafe对象。

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

我又发现有一个静态方法，方法名为getunsafe，而且返回值为unsafe，看来调用这个方法可以获取unsafe对象。

为此我又编写了如下代码测试这样是否行得通

public static void main(string[] args) throws exception{
        unsafe unsafe = unsafe.getunsafe();
        system.out.println(unsafe);
}

谁知道控制台竟然报错了

看错误提示信息是权限方面的错误，但是我看atomicboolean类获取unsafe的方式就是调用getunsafe方法，可能是只允许jdk内部的类可以通过这种方式访问吧，这里我们不深究，再想别的办法获取。

继续看源码找突破口

unsafe类里面第一个常量是 private static final unsafe theunsafe; 用static和final修饰而且没有直接赋值，这就说明肯定有静态代码块对theunsafe赋值了，然后再类的底部发现了。

static {
        registernatives();
        reflection.registermethodstofilter(unsafe.class, new string[]{"getunsafe"});
        theunsafe = new unsafe();
        array_boolean_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(boolean[].class);
        array_byte_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(byte[].class);
        array_short_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(short[].class);
        array_char_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(char[].class);
        array_int_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(int[].class);
        array_long_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(long[].class);
        array_float_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(float[].class);
        array_double_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(double[].class);
        array_object_base_offset = theunsafe.arraybaseoffset(object[].class);
        array_boolean_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(boolean[].class);
        array_byte_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(byte[].class);
        array_short_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(short[].class);
        array_char_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(char[].class);
        array_int_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(int[].class);
        array_long_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(long[].class);
        array_float_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(float[].class);
        array_double_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(double[].class);
        array_object_index_scale = theunsafe.arrayindexscale(object[].class);
        address_size = theunsafe.addresssize();
    }

第四行对theunsafe进行了赋值。也就是说在类加载完成后unsafe里面的theunsafe常量就已经赋值好了unsafe对象，如果我们想获取unsafe对象只要用反射拿到theunsafe属性就可以了。

/**
     * 获得unsafe
     * @throws nosuchfieldexception
     * @throws illegalaccessexception
     */
    public static unsafe getunsafe() throws nosuchfieldexception, illegalaccessexception {
        field field = unsafe.class.getdeclaredfield("theunsafe");
        //私有属性可以访问
        field.setaccessible(true);
        unsafe unsafe = (unsafe) field.get(null);
        system.out.println(unsafe);
        return unsafe;
    }

unsafe实现cas锁

cas是compare and swap的缩写，中文翻译成比较并交换。 在juc包下atomic开头的类都是使用的cas锁实现的并发条件下对一个变量赋值不覆盖的。我们也可以自己使用unsafe实现cas锁。

 interface counter{
        void increment();
        long getcounter();
    }
 /**
     * 自己用unsafe实现cas锁
     */
    static class cascounter implements counter{
        private volatile long counter = 0;
        private unsafe unsafe;
        private long offset;

        cascounter() throws nosuchfieldexception, illegalaccessexception {
            unsafe = getunsafe();
            //获得该类counter属性内存偏移量起始位置
            offset = unsafe.objectfieldoffset(cascounter.class.getdeclaredfield("counter"));
        }

        @override
        public void increment() {
            long current = counter;
            //循环判断是否赋值成功  第一个参数为调用本方法的对象，第二个参数为要更改属性的内存偏移量，第三个参数是未修改之前的值，第四个参数是想要修改为那个值。
            while (!unsafe.compareandswaplong(this,offset,current,current+1)){
                current = counter;
            }
        }

        @override
        public long getcounter() {
            return counter;
        }
    }

这里我们主要看unsafe.objectfieldoffset(cascounter.class.getdeclaredfield("counter"));这一行代码，因为通过cas对属性值进行更改是直接在内存上进行更改的，所以我们需要拿到这个对象的counter属性的内存偏移量。

再看increment方法，这里我们在更改之前先拿到counter的值，unsafe.compareandswaplong方法就是根据内存偏移量进行更改值的，第一个参数确定那个对象，第二个参数确定那个属性，第三个参数比对要更改属性的原值，第四个参数要更改的值。如果更改成功则返回true，更改失败返回false。这里的逻辑是更改失败就一直更改，知道更改成功才跳出循环。这样就会有效的防止属性值被覆盖的问题。 我们写的cascounter类就实现了atomicinteger类的部分功能。

使用unsafe创建对象

我们都知道反射可以‘走后门'创建对象，其实unsafe也是可以的

static class simple{
        static {
            system.out.println("类初始化");
        }
        private long l = 0;

        public simple(){
            this.l = 1;
            system.out.println("对象初始化");
        }

        public long get(){
            return l;
        }
}

 public static void main(string[] args) throws exception {
      unsafe unsafe = getunsafe();
        //相当于直接在内存中开辟一块地址,不运行构造方法
        simple simple = (simple) unsafe.allocateinstance(simple.class);
        system.out.println("通过unsafe创建对象不会运行构造方法: " + simple.get());
        system.out.println("但是可以通过对象获得class对象" + simple.getclass());
        system.out.println("也可以拿到类加载器 " + simple.getclass().getclassloader());
 }

控制台输出如下

这里我们发现使用unsafe创建对象并没有运行构造方法，而只是将对象创建出来了。而使用反射创建对象是会运行构造方法的和使用new的方式创建对象别无二致。所以不推荐使用unsafe创建对象。

unsafe加载类

既然unsafe是直接操作的内存那应该也可以加载类，下面我们看看unsafe是如何加载类的。

我们先自己编写a类

public class a
{
 private int i = 0;
 
 public a(){
  this.i = 10;
 }

 public int get(){
  return i;
 }
}

然后运行javac a.java 生成a.class此时a.class的位置是f:\tmp

其次我们编写unsafe加载class的代码

 /**
     * 通过class文件获得二进制
     * @return
     * @throws ioexception
     */
    public static byte[] loadclasscontent() throws ioexception {
        file file = new file("f:\\tmp\\a.class");
        fileinputstream fis = new fileinputstream(file);
        byte[] content = new byte[(int) file.length()];
        fis.read(content);
        fis.close();
        return content;
    }
    public static void main(string[] args) throws exception {
        unsafe unsafe = getunsafe();
        byte[] bytes = loadclasscontent();
        class<?> aclass = unsafe.defineclass(null, bytes, 0, bytes.length,null,null);
        method get = aclass.getmethod("get");
        int i = (int) get.invoke(aclass.newinstance(), null);
        system.out.println(i);
    }

这里unsafe.defineclass方法就是加载类的方法。

运行后输出结果为10

这样我们就实现了通过unsafe加载类。

unsafe更改私有属性值

我们都知道反射可以更改对象私有属性值，其实unsafe也可以直接更改私有属性值，代码如下

static class guard{
        private int access_allowed = 1;

        private boolean allow(){
            return 42==access_allowed;
        }

        public void work(){
            if (allow()){
                system.out.println("你进行了暗箱操作");
            }
        }
 }
public static void main(string[] args) throws exception {
        unsafe unsafe = getunsafe();
        guard guard = new guard();
        field access_allowed = guard.getclass().getdeclaredfield("access_allowed");
        unsafe.putint(guard,unsafe.objectfieldoffset(access_allowed),42);
        guard.work();
}

输出结果为 你进行了暗箱操作 ，putint方法第一个参数是要更改的属性属于哪个对象，第二个参数是要更改属性的内存偏移量，第三个参数是要改成什么值。其实就是直接更改指定内存地址中的int属性的值。这样我们就完成了使用unsafe更改对象私有属性值。

unsafe类能直接操作内存的特性决定了它能走太多的后门了，而且大部分方法都是native修饰的，底层调用的c++。估计这也是unsafe的不安全的原因。

总结

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