前言

幾乎每個(gè)使用 Java開發(fā)的工具、軟件基礎(chǔ)設(shè)施、高性能開發(fā)庫(kù)都在底層使用了sun.misc.Unsafe，比如Netty、Cassandra、Hadoop、Kafka等。

Unsafe類在提升Java運(yùn)行效率，增強(qiáng)Java語(yǔ)言底層操作能力方面起了很大的作用。但Unsafe類在sun.misc包下，不屬于Java標(biāo)準(zhǔn)。

很早之前，在閱讀并發(fā)編程相關(guān)類的源碼時(shí)，看到Unsafe類，產(chǎn)生了一個(gè)疑惑：既然是并發(fā)編程中用到的類，為什么命名為Unsafe呢?

深入了解之后才知道，這里的Unsafe并不是說線程安全與否，而是指：該類對(duì)于普通的程序員來(lái)說是”危險(xiǎn)“的，一般應(yīng)用開發(fā)者不會(huì)也不應(yīng)該用到此類。

因?yàn)閁nsafe類功能過于強(qiáng)大，提供了一些可以繞開JVM的更底層功能。它讓Java擁有了像C語(yǔ)言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力，能夠提升效率，但也帶來(lái)了指針的問題。官方并不建議使用，也沒提供文檔支持，甚至計(jì)劃在高版本中去掉該類。

但對(duì)于開發(fā)者來(lái)說，了解該類提供的功能更有助于我們學(xué)習(xí)CAS、并發(fā)編程等相關(guān)的知識(shí)，還是非常有必要學(xué)習(xí)和了解的。

Unsafe的構(gòu)造

Unsafe類是"final"的，不允許繼承，且構(gòu)造函數(shù)是private，使用了單例模式來(lái)通過一個(gè)靜態(tài)方法getUnsafe()來(lái)獲取。

   private Unsafe() {
    }

    @CallerSensitive
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class var0 = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return theUnsafe;
        }
    }

在getUnsafe方法中對(duì)單例模式中的對(duì)象創(chuàng)建做了限制，如果是普通的調(diào)用會(huì)拋出一個(gè)SecurityException異常。只有由主類加載器加載的類才能調(diào)用這個(gè)方法。

那么，如何獲得Unsafe類的對(duì)象呢?通常采用反射機(jī)制：

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

當(dāng)獲得Unsafe對(duì)象之后，就可以”為所欲為“了。下面就來(lái)看看，通過Unsafe方法，我們可以做些什么。

Unsafe的主要功能可先從根據(jù)下圖從整體上了解一下Unsafe提供的功能：

Unsafe功能概述

下面挑選重要的功能進(jìn)行講解。

一、內(nèi)存管理

Unsafe的內(nèi)存管理功能主要包括：普通讀寫、volatile讀寫、有序?qū)懭?、直接操作?nèi)存等分配內(nèi)存與釋放內(nèi)存的功能。

普通讀寫

Unsafe可以讀寫一個(gè)類的屬性，即便這個(gè)屬性是私有的，也可以對(duì)這個(gè)屬性進(jìn)行讀寫。

// 獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)
public native int getInt(Object var1, long var2);

// 將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址
public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);

getInt用于從對(duì)象的指定偏移地址處讀取一個(gè)int。putInt用于在對(duì)象指定偏移地址處寫入一個(gè)int。其他原始類型也提供有對(duì)應(yīng)的方法。

另外，Unsafe的getByte、putByte方法提供了直接在一個(gè)地址上進(jìn)行讀寫的功能。

volatile讀寫

普通的讀寫無(wú)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。

// 獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù)，并支持volatile語(yǔ)義
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);

// 將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址，并支持volatile語(yǔ)義
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(duì)普通讀寫更加昂貴。

有序?qū)懭?/h4>

有序?qū)懭胫槐ＷC寫入的有序性，不保證可見性，就是說一個(gè)線程的寫入不保證其他線程立馬可見。

// 將整數(shù)寫入指定內(nèi)存地址、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(jià)相對(duì)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(huì)重排序。

直接操作內(nèi)存

Unsafe提供了直接操作內(nèi)存的能力：

// 分配內(nèi)存
public native long allocateMemory(long var1);
// 重新分配內(nèi)存
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 內(nèi)存初始化
public native void setMemory(long var1, long var3, byte var5);
// 內(nèi)存復(fù)制
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除內(nèi)存
public native void freeMemory(long var1);

對(duì)應(yīng)操作內(nèi)存，也提供了一些獲取內(nèi)存信息的方法：

// 獲取內(nèi)存地址
public native long getAddress(long var1);

public native int addressSize();

public native int pageSize();

值得注意的是：利用copyMemory方法可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)通用的對(duì)象拷貝方法，無(wú)需再對(duì)每一個(gè)對(duì)象都實(shí)現(xiàn)clone方法，但只能做到對(duì)象淺拷貝。

二、非常規(guī)對(duì)象實(shí)例化

通常，我們通過new或反射來(lái)實(shí)例化對(duì)象，而Unsafe類提供的allocateInstance方法，可以直接生成對(duì)象實(shí)例，且無(wú)需調(diào)用構(gòu)造方法和其他初始化方法。

這在對(duì)象反序列化的時(shí)候會(huì)很有用，能夠重建和設(shè)置final字段，而不需要調(diào)用構(gòu)造方法。

// 直接生成對(duì)象實(shí)例，不會(huì)調(diào)用這個(gè)實(shí)例的構(gòu)造方法
public native Object allocateInstance(Class<?> var1) throws InstantiationException;

三、類加載

通過以下方法，可以實(shí)現(xiàn)類的定義、創(chuàng)建等操作。

// 方法定義一個(gè)類，用于動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建類
public native Class<?> defineClass(String var1, byte[] var2, int var3, int var4, ClassLoader var5, ProtectionDomain var6);

//  動(dòng)態(tài)的創(chuàng)建一個(gè)匿名內(nèi)部類
public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> var1, byte[] var2, Object[] var3);

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

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

四、偏移量相關(guān)

Unsafe提供以下方法獲取對(duì)象的指針，通過對(duì)指針進(jìn)行偏移，不僅可以直接修改指針指向的數(shù)據(jù)(即使它們是私有的)，甚至可以找到JVM已經(jīng)認(rèn)定為垃圾、可以進(jìn)行回收的對(duì)象。

// 獲取靜態(tài)屬性Field在對(duì)象中的偏移量，讀寫靜態(tài)屬性時(shí)必須獲取其偏移量
public native long staticFieldOffset(Field var1);
// 獲取非靜態(tài)屬性Field在對(duì)象實(shí)例中的偏移量，讀寫對(duì)象的非靜態(tài)屬性時(shí)會(huì)用到這個(gè)偏移量
public native long objectFieldOffset(Field var1);
// 返回Field所在的對(duì)象
public native Object staticFieldBase(Field var1);
// 返回?cái)?shù)組中第一個(gè)元素實(shí)際地址相對(duì)整個(gè)數(shù)組對(duì)象的地址的偏移量
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 計(jì)算數(shù)組中第一個(gè)元素所占用的內(nèi)存空間
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

五、數(shù)組操作

數(shù)組操作提供了以下方法：

// 獲取數(shù)組第一個(gè)元素的偏移地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 獲取數(shù)組中元素的增量地址
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

arrayBaseOffset與arrayIndexScale配合起來(lái)使用，就可以定位數(shù)組中每個(gè)元素在內(nèi)存中的位置。

由于Java的數(shù)組最大值為Integer.MAX_VALUE，使用Unsafe類的內(nèi)存分配方法可以實(shí)現(xiàn)超大數(shù)組。實(shí)際上這樣的數(shù)據(jù)就可以認(rèn)為是C數(shù)組，因此需要注意在合適的時(shí)間釋放內(nèi)存。

六、線程調(diào)度

線程調(diào)度相關(guān)方法如下：

// 喚醒線程
public native void unpark(Object var1);
// 掛起線程
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);

通過park方法將線程進(jìn)行掛起， 線程將一直阻塞到超時(shí)或中斷條件出現(xiàn)。unpark方法可以終止一個(gè)掛起的線程，使其恢復(fù)正常。

整個(gè)并發(fā)框架中對(duì)線程的掛起操作被封裝在LockSupport類中，LockSupport類中有各種版本pack方法，但最終都調(diào)用了Unsafe.park()方法。

七、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(jī)制提供了一種新的解決辦法，比如AtomicInteger等類都是通過該方法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。compareAndSwap方法是原子的，可以避免繁重的鎖機(jī)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(yīng)用，ConcurrentHashMap，ConcurrentLinkedQueue中都有用到CAS來(lái)實(shí)現(xiàn)樂觀鎖。

八、內(nèi)存屏障

JDK8新引入了用于定義內(nèi)存屏障、避免代碼重排的方法：

// 保證在這個(gè)屏障之前的所有讀操作都已經(jīng)完成
public native void loadFence();

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

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

九、其他

當(dāng)然，Unsafe類中還提供了大量其他的方法，比如上面提到的CAS操作，以AtomicInteger為例，當(dāng)我們調(diào)用getAndIncrement、getAndDecrement等方法時(shí)，本質(zhì)上調(diào)用的就是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);
}

在實(shí)踐的過程中，如果閱讀其他框架或類庫(kù)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)用到Unsafe類，可對(duì)照該類的整體功能，結(jié)合應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行分析，即可大概了解其功能。

小結(jié)

經(jīng)過本文的分析，想必大家在閱讀源碼時(shí)，再遇到Unsafe類的調(diào)用，一定大概猜出它是用來(lái)干什么的。使用Unsafe類的主要目的大多數(shù)情況下是為了提升運(yùn)行效率、增強(qiáng)功能。但同時(shí)也面臨著出錯(cuò)、內(nèi)存管理等風(fēng)險(xiǎn)。只有深入了解，且有必要的情況下才建議使用。