Java中Unsafe使用详解

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Unsafe介绍

Unsafe是位于sun.misc包下的一个类，主要提供一些用于执行低级别、不安全操作的方法，如直接访问系统内存资源、自主管理内存资源等，这些方法在提升Java运行效率、增强Java语言底层资源操作能力方面起到了很大的作用。但由于Unsafe类使得Java语言拥有了类似C语言指针一样操作内存空间的能力，这无疑也增加了程序发生相关指针问题的风险。在程序中过度、不正确使用Unsafe类会使得程序出错的概率变大，使得Java这种安全的语言变得不再“安全”，因此对Unsafe的使用一定要慎重。

java.util.concurrent.atomic包下的原子操作类，基本都是使用Unsafe实现的。

Unsafe提供的API大致可分为内存操作、CAS、Class、对象操作、线程、系统信息获取、内存屏障、数组操作等几类。

内存相关

CAS相关

java.util.concurrent.atomic包中的原子类基本都用的Unsafe

private static final Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe(); 
private static final long valueOffset; 
static { 
  try { 
    valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(AtomicInteger.class.getDeclaredField("value")); 
  } catch (Exception ex) { throw new Error(ex); } 
} 
public final int getAndSet(int newValue) { 
  return unsafe.getAndSetInt(this, valueOffset, newValue); 
} 

线程相关

LockSupport类中有应用unpark，park

public static void park(Object blocker) { 
  Thread t = Thread.currentThread(); 
  setBlocker(t, blocker); 
  UNSAFE.park(false, 0L); 
  setBlocker(t, null); 
} 

public static void unpark(Thread thread) { 
  if (thread != null) 
    UNSAFE.unpark(thread); 
} 

Class相关

对象操作相关

系统相关

内存屏障

loadFence：保证在这个屏障之前的所有读操作都已经完成。

storeFence：保证在这个屏障之前的所有写操作都已经完成。

fullFence：保证在这个屏障之前的所有读写操作都已经完成。

在java8中 有这个StampedLock类，该类中应用了内存屏障功能。

private static final sun.misc.Unsafe U; 
static { 
  try { 
    U = sun.misc.Unsafe.getUnsafe(); 
  } catch (Exception e) { 
    throw new Error(e); 
  } 
} 
public boolean validate(long stamp) { 
  U.loadFence(); 
  return (stamp & SBITS) == (state & SBITS); 
} 

U.loadFence(); 

Unsafe.java

public final class Unsafe { 
 
    private static native void registerNatives(); 
    static { 
        registerNatives(); 
        sun.reflect.Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, "getUnsafe"); 
    } 
 
    private Unsafe() {} 
 
    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe(); 
    // ... 
} 

获取Unsafe实例

Unsafe类是final且是单例的，并且theUnsafe字段是private;通过如下方法获取实例

方法1

Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ; 
theUnsafe.setAccessible(true) ; 
Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null) ; 

方法2

private static Unsafe unsafe = null ; 
     
static { 
    try { 
        Constructor<Unsafe> cons = Unsafe.class.getDeclaredConstructor() ; 
        cons.setAccessible(true) ; 
        unsafe = cons.newInstance() ; 
    } catch (Exception e) { 
        e.printStackTrace(); 
    } 
} 

Unsafe简单应用

int i = 0 ; 
     
public static void main(String[] args) throws Exception { 
    UnsafeDemo d = new UnsafeDemo() ; 
    // 获取Unsafe实例 
    Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ; 
    theUnsafe.setAccessible(true) ; 
    Unsafe unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null) ; 
    // 获取类的实例变量 
    Field f = UnsafeDemo.class.getDeclaredField("i") ; 
    // 获取字段相对Java对象的"起始地址"的偏移量 
    long fieldOffset = unsafe.objectFieldOffset(f) ; 
    System.out.println(fieldOffset) ; 
    // 设置值 
    boolean success = unsafe.compareAndSwapInt(d, fieldOffset, 0, 10) ; 
    System.out.println(success) ; 
    System.out.println(d.i) ; 
} 

Unsafe对象操作

private static Unsafe unsafe = null ; 
     
static { 
try { 
        Constructor<Unsafe> cons = Unsafe.class.getDeclaredConstructor() ; 
        cons.setAccessible(true) ; 
        unsafe = cons.newInstance() ; 
    } catch (Exception e) { 
        e.printStackTrace(); 
    } 
} 
public static void allocate() { 
    try { 
        Person p = (Person)unsafe.allocateInstance(Person.class) ; 
        p.setId("s001"); 
        System.out.println(p.getValue()) ; 
        System.out.println(p.getId()) ; 
    } catch (Exception e) { 
        e.printStackTrace(); 
    } 
} 

执行结果：

对象操作2：

private Person p = new Person("1", "张三") ; 
     
public static void main(String[] args) throws Exception { 
  UnSafeObjectDemo d = new UnSafeObjectDemo() ; 
  Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ; 
    field.setAccessible(true) ; 
    Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null) ; 
    Field f = d.getClass().getDeclaredField("p") ; 
    long offset = unsafe.objectFieldOffset(f) ; 
    System.out.println(offset) ; 
    boolean res = unsafe.compareAndSwapObject(d, offset, d.p, new Person("2", "李四")) ; 
    System.out.println(res) ; 
    System.out.println(d.p.getName()) ; 
} 

Unsafe创建对象

当不知道即将使用的对象有何构造函数，或是不想使用现有对象的构造函数创建对象时，可以通过如下方式：

Constructor<Teacher> cons = (Constructor<Teacher>) ReflectionFactory.getReflectionFactory().newConstructorForSerialization(Teacher.class, 
                Object.class.getConstructor()); 
cons.setAccessible(true); 
Teacher t = cons.newInstance() ; 
System.out.println(t) ; 

Unsafe简单实现原子操作类

public class AtomicCount { 
     
    private static Unsafe unsafe ; 
     
    private int value ; 
    private static long valueOffset ; 
     
    static { 
        try { 
            Field theUnsafe = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe") ; 
            theUnsafe.setAccessible(true) ; 
            unsafe = (Unsafe) theUnsafe.get(null) ; 
             
            Field f = AtomicCount.class.getDeclaredField("value") ; 
            valueOffset = unsafe.objectFieldOffset(f) ; 
        } catch (Exception e) { 
            e.printStackTrace(); 
        } 
    } 
     
    public AtomicCount(int value) { 
        this.value = value ; 
    } 
     
    public final int get() { 
        return value; 
    } 
     
    public final int getAndIncrement() { 
        return unsafe.getAndAddInt(this, valueOffset, 1); 
    } 
     
} 

完毕！！！