Unsafe類，你知道多少呢？-有解無憂

在一些常用的中間件中，我們經常看見Unsafe類(sun.misc.Unsafe)的使用,如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等,那么你知道Unsafe類的功能嗎？
下文筆者將一一道來，如下所示:

Unsafe類的功能簡介

Unsafe類在sun.misc包下
Unsafe類不是Java標準類，一般的開發者不會涉及此類的開發
Unsafe類可提高java的運行效率

Unsafe類的功能:
     使我們可跳過JVM,使java語言擁有c語言指標一樣的能力，
	  如:操作記憶體空間，CAS，并發編程等能力

Unsafe類簡介

Unsafe類使用“final”修改，不可以繼承，并且建構式是private,所以我們只能使用靜態方法獲取它的實體
例:

 private Unsafe() {
    }
?
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
  Class var0 = Reflection.getCallerClass();
  if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
         throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return theUnsafe;
        }
    }
從getUnsafe()方法中，我們可以得知，
只有主類加載器才可以呼叫此方法，否則就會拋出例外

例:呼叫getUnsafe方法回傳Unsafe

public static Unsafe getUnsafe() throws IllegalAccessException {
    Field unsafeField = Unsafe.class.getDeclaredFields()[0];
    unsafeField.setAccessible(true);
    return (Unsafe) unsafeField.get(null);
}

Unsafe的主要功能

記憶體管理

Unsafe的記憶體管理功能主要包括
   普通讀寫、volatile讀寫、有序寫入、直接操作記憶體等分配記憶體與釋放記憶體的功能

普通讀寫

Unsafe可以讀寫一個類的屬性
即使這個屬性是私有的
也可以對這個屬性進行讀寫，

//獲取記憶體地址指向的整數
public native int getInt(Object var1, long var2);
       getInt用于從物件的指定偏移地址處讀取一個int
?
//將整數寫入指定記憶體地址
public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);
      putInt用于在物件指定偏移地址處寫入一個int，其他原始型別也提供有對應的方法

另:Unsafe的getByte、putByte方法提供了直接在一個地址上進行讀寫的功能

volatile讀寫
  普通的讀寫無法保證可見性和有序性，而volatile讀寫就可以保證可見性和有序性，
// 獲取記憶體地址指向的整數，并支持volatile語意
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
?
// 將整數寫入指定記憶體地址，并支持volatile語意
public native void putIntVolatile(Object var1, long var2, int var4);
   volatile讀寫要保證可見性和有序性，相對普通讀寫更加昂貴

有序寫入
   有序寫入只保證寫入的有序性，不保證可見性
   就是說一個執行緒的寫入不保證其他執行緒立馬可見，
// 將整數寫入指定記憶體地址、有序或者有延遲的方法
public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);

而與volatile寫入相比putOrderedXX寫入代價相對較低
putOrderedXX寫入不保證可見性但
是保證有序性，所謂有序性，就是保證指令不會重排序，

直接操作記憶體
Unsafe提供了直接操作記憶體的能力：
// 分配記憶體
public native long allocateMemory(long var1);
// 重新分配記憶體
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 記憶體初始化
public native void setMemory(long var1, long var3, byte var5);
// 記憶體復制
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除記憶體
public native void freeMemory(long var1);
?
對應操作記憶體，也提供了一些獲取記憶體資訊的方法：
// 獲取記憶體地址
public native long getAddress(long var1);
?
public native int addressSize();
?
public native int pageSize();

注意事項:
 使用copyMemory方法可以實作一個通用的物件拷貝方法
  無需再對每一個物件都實作clone方法，但只能做到物件淺拷貝

"非常規”物件實體化

通常情況下，我們使用new關鍵字實體化一個物件，但是Unsafe類中有一個方法allocateInstance，可直接生成物件實體，無需構造方法和其它初始化方法

// 直接生成物件實體，不會呼叫這個實體的構造方法
public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;

類加載

通過以下方法，可以實作類的定義、創建等操作，
// 方法定義一個類，用于動態地創建類
public native Class<?> defineClass(String var1, byte[] var2, int var3, int var4, ClassLoader var5, ProtectionDomain var6);

//  動態的創建一個匿名內部類
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> var1, byte[] var2, Object[] var3);

// 判斷是否需要初始化一個類
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> var1);

// 保證已經初始化過一個類
public native void ensureClassInitialized(Class<?> var1);

偏移量相關

Unsafe提供以下方法獲取物件的指標，通過對指標進行偏移，不僅可以直接修改指標指向的資料（即使它們是私有的），甚至可以找到JVM已經認定為垃圾、可以進行回收的物件，
// 獲取靜態屬性Field在物件中的偏移量，讀寫靜態屬性時必須獲取其偏移量
public native long staticFieldOffset(Field var1);
// 獲取非靜態屬性Field在物件實體中的偏移量，讀寫物件的非靜態屬性時會用到這個偏移量
public native long objectFieldOffset(Field var1);
// 回傳Field所在的物件
public native Object staticFieldBase(Field var1);
// 回傳陣列中第一個元素實際地址相對整個陣列物件的地址的偏移量
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 計算陣列中第一個元素所占用的記憶體空間
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

陣列操作

陣列操作提供了以下方法：
// 獲取陣列第一個元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 獲取陣列中元素的增量地址
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

執行緒調度

執行緒調度相關方法如下：
// 喚醒執行緒
public native void unpark(Object var1);
// 掛起執行緒
public native void park(boolean var1, long var2);
// 用于加鎖，已廢棄
public native void monitorEnter(Object var1);
// 用于加鎖，已廢棄
public native void monitorExit(Object var1);
// 用于加鎖，已廢棄
public native boolean tryMonitorEnter(Object var1);

使用park方法將執行緒進行掛起， 執行緒將一直阻塞到超時或中斷條件出現
使用unpark方法可以終止一個掛起的執行緒，使其恢復正常

CAS操作

Unsafe類的CAS操作可能是使用最多的方法
它為Java的鎖機制提供了一種新的解決辦法，
如AtomicInteger等類都是通過該方法來實作的
compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的鎖機制，提高代碼效率

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);

public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);

public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

CAS一般用于樂觀鎖
它在Java中有廣泛的應用，ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue中都有用到CAS來實作樂觀鎖，

記憶體屏障

JDK8新引入了用于定義記憶體屏障、避免代碼重排的方法：
// 保證在這個屏障之前的所有讀操作都已經完成
public native void loadFence();

// 保證在這個屏障之前的所有寫操作都已經完成
public native void storeFence();

// 保證在這個屏障之前的所有讀寫操作都已經完成
public native void fullFence();

其他

當然，Unsafe類中還提供了大量其他的方法
 如上面提到的CAS操作，以AtomicInteger為例
  當我們呼叫getAndIncrement、getAndDecrement等方法時
  本質上呼叫的就是Unsafe的getAndAddInt方法

public final int getAndIncrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1);
}

public final int getAndDecrement() {
    return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, -1);
}

轉自:http://www.java265.com/JavaCourse/202204/2835.html

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