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（1）Unsafe是什么？
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（2）Unsafe只有CAS的功能嗎？
（3）Unsafe為什么是不安全的？
（4）怎么使用Unsafe？
簡介
本章是java并發(fā)包專題的第一章，但是第一篇寫的卻不是java并發(fā)包中類，而是java中的魔法類sun.misc.Unsafe。
Unsafe為我們提供了訪問底層的機(jī)制，這種機(jī)制僅供java核心類庫使用，而不應(yīng)該被普通用戶使用。
但是，為了更好地了解java的生態(tài)體系，我們應(yīng)該去學(xué)習(xí)它，去了解它，不求深入到底層的C/C++代碼，但求能了解它的基本功能。
獲取Unsafe的實(shí)例
查看Unsafe的源碼我們會發(fā)現(xiàn)它提供了一個getUnsafe()的靜態(tài)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，如果直接調(diào)用這個方法會拋出一個SecurityException異常，這是因?yàn)閁nsafe僅供java內(nèi)部類使用，外部類不應(yīng)該使用它。
那么，我們就沒有方法了嗎？
當(dāng)然不是，我們有反射?。〔榭丛创a，我們發(fā)現(xiàn)它有一個屬性叫theUnsafe，我們直接通過反射拿到它即可。
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實(shí)例化一個類
假如我們有一個簡單的類如下：
class User {
int age;
public User() {
this.age = 10;
}
}如果我們通過構(gòu)造方法實(shí)例化這個類，age屬性將會返回10。
User user1 = new User();
// 打印10
System.out.println(user1.age);如果我們調(diào)用Unsafe來實(shí)例化呢？
User user2 = (User) unsafe.allocateInstance(User.class);
// 打印0
System.out.println(user2.age);age將返回0，因?yàn)?code>Unsafe.allocateInstance()只會給對象分配內(nèi)存，并不會調(diào)用構(gòu)造方法，所以這里只會返回int類型的默認(rèn)值0。
修改私有字段的值
使用Unsafe的putXXX()方法，我們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;
}
}一旦我們通過反射調(diào)用得到字段age，我們就可以使用Unsafe將其值更改為任何其他int值。（當(dāng)然，這里也可以通過反射直接修改）
拋出checked異常
我們知道如果代碼拋出了checked異常，要不就使用try...catch捕獲它，要不就在方法簽名上定義這個異常，但是，通過Unsafe我們可以拋出一個checked異常，同時卻不用捕獲或在方法簽名上定義它。
// 使用正常方式拋出IOException需要定義在方法簽名上往外拋
public static void readFile() throws IOException {
throw new IOException();
}
// 使用Unsafe拋出異常不需要定義在方法簽名上往外拋
public static void readFileUnsafe() {
unsafe.throwException(new IOException());
}使用堆外內(nèi)存
如果進(jìn)程在運(yùn)行過程中JVM上的內(nèi)存不足了，會導(dǎo)致頻繁的進(jìn)行GC。理想情況下，我們可以考慮使用堆外內(nèi)存，這是一塊不受JVM管理的內(nèi)存。
使用Unsafe的allocateMemory()我們可以直接在堆外分配內(nèi)存，這可能非常有用，但我們要記住，這個內(nèi)存不受JVM管理，因此我們要調(diào)用freeMemory()方法手動釋放它。
假設(shè)我們要在堆外創(chuàng)建一個巨大的int數(shù)組，我們可以使用allocateMemory()方法來實(shí)現(xiàn)：
class OffHeapArray {
// 一個int等于4個字節(jié)
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();
}
}
// 構(gòu)造方法，分配內(nèi)存
public OffHeapArray(long size) {
this.size = size;
// 參數(shù)字節(jié)數(shù)
address = unsafe.allocateMemory(size * INT);
}
// 獲取指定索引處的元素
public int get(long i) {
return unsafe.getInt(address + i * INT);
}
// 設(shè)置指定索引處的元素
public void set(long i, int value) {
unsafe.putInt(address + i * INT, value);
}
// 元素個數(shù)
public long size() {
return size;
}
// 釋放堆外內(nèi)存
public void freeMemory() {
unsafe.freeMemory(address);
}
}在構(gòu)造方法中調(diào)用allocateMemory()分配內(nèi)存，在使用完成后調(diào)用freeMemory()釋放內(nèi)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的位置重復(fù)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，一定要記得調(diào)用freeMemory()將內(nèi)存釋放回操作系統(tǒng)。
CompareAndSwap操作
JUC下面大量使用了CAS操作，它們的底層是調(diào)用的Unsafe的CompareAndSwapXXX()方法。這種方式廣泛運(yùn)用于無鎖算法，與java中標(biāo)準(zhǔn)的悲觀鎖機(jī)制相比，它可以利用CAS處理器指令提供極大的加速。
比如，我們可以基于Unsafe的compareAndSwapInt()方法構(gòu)建線程安全的計(jì)數(shù)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;
// 失敗了就重試直到成功為止
while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, before, before + 1)) {
before = count;
}
}
public int getCount() {
return count;
}
}我們定義了一個volatile的字段count，以便對它的修改所有線程都可見，并在類加載的時候獲取count在類中的偏移地址。
在increment()方法中，我們通過調(diào)用Unsafe的compareAndSwapInt()方法來嘗試更新之前獲取到的count的值，如果它沒有被其它線程更新過，則更新成功，否則不斷重試直到成功為止。
我們可以通過使用多個線程來測試我們的代碼：
Counter counter = new Counter();
ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);
// 起100個線程，每個線程自增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在上下文切換的時候使用了Unsafe中的兩個非常牛逼的方法park()和unpark()。
當(dāng)一個線程正在等待某個操作時，JVM調(diào)用Unsafe的park()方法來阻塞此線程。
當(dāng)阻塞中的線程需要再次運(yùn)行時，JVM調(diào)用Unsafe的unpark()方法來喚醒此線程。
我們之前在分析java中的集合時看到了大量的LockSupport.park()/unpark()，它們底層都是調(diào)用的Unsafe的這兩個方法。
總結(jié)
使用Unsafe幾乎可以操作一切：
（1）實(shí)例化一個類；
（2）修改私有字段的值；
（3）拋出checked異常；
（4）使用堆外內(nèi)存；
（5）CAS操作；
（6）阻塞/喚醒線程；
彩蛋
論實(shí)例化一個類的方式？
（1）通過構(gòu)造方法實(shí)例化一個類；
（2）通過Class實(shí)例化一個類；
（3）通過反射實(shí)例化一個類；
（4）通過克隆實(shí)例化一個類；
（5）通過反序列化實(shí)例化一個類；
（6）通過Unsafe實(shí)例化一個類；
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. 構(gòu)造方法
User user1 = new User();
// 2. Class，里面實(shí)際也是反射
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();
}
}
}歡迎關(guān)注我的公眾號“彤哥讀源碼”，查看更多源碼系列文章, 與彤哥一起暢游源碼的海洋。
本文標(biāo)題：死磕java魔法類之Unsafe解析
標(biāo)題來源：http://www.ef60e0e.cn/article/ppgpid.html
