java魔法数 java黑魔法

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AIGC创想家 2023-08-05 17:21:22

文章标签 java魔法数 java Unsafe CAS User 文章分类 Java 后端开发

问题

（1）Unsafe是什么？

（2）Unsafe只有CAS的功能吗？

（3）Unsafe为什么是不安全的？

（4）怎么使用Unsafe？

简介

本章是java并发包专题的第一章，但是第一篇写的却不是java并发包中类，而是java中的魔法类sun.misc.Unsafe。

很多低级语言中可用的技巧在Java中都是不被允许的。Java是一个安全的开发工具，它阻止开发人员犯很多低级的错误，而大部

份的错误都是基于内存管理方面的。我们知道JAVA作为高级语言的重要创新一点就是在于JVM的内存管理功能，这完全区别于C

语言开发过程中需要对变量的内存分配小心控制，JVM很大程度解放了码农对于内存的调整。

一直以来，JAVA在大多数人心目中没有办法对内存进行操作的，其实不然，Unsafe类就是一把操作JAVA内存的钥匙。如果你想

搞破坏，可以使用Unsafe这个类。这个类是属于sun.* API中的类。

Unsafe做操作的是直接内存区，所以该类没有办法通过HotSpot的GC进行回收，需要进行手动回收，因此在使用此类时需要注意

内存泄漏（Memory Leak）和内存溢出（Out Of Memory）。

因为这是一个平台相关的类，因此在实际开发中，建议不要使用。但是，为了更好地了解java的生态体系，我们应该去学习它，去了解它，不求深入到底层的C/C++代码，但求能了解它的基本功能。

获取Unsafe的实例

查看Unsafe的源码我们会发现它提供了一个getUnsafe()的静态方法。

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

但是，如果直接调用这个方法会抛出一个SecurityException异常，这是因为Unsafe仅供java内部类使用，外部类不应该使用它。

那么，我们就没有方法了吗？

当然不是，我们有反射啊！查看源码，我们发现它有一个属性叫theUnsafe，我们直接通过反射拿到它即可。

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);
    }
}

Unsafe内存操作案例

设置基本数据类型变量的值：

public class UnsafeDemo {
    private int i = 0;

    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        //获取Unsafe实例
        Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); // Internal reference
        f.setAccessible(true);//设置为true，通过反射获取私有变量的时候，会忽略访问修饰符的检查  
        Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

        //获取字段i在内存中偏移量
        long offset = unsafe.objectFieldOffset(UnsafeDemo.class.getDeclaredField("i"));

        //创建对象实例，设置字段的值
        UnsafeDemo unsafeDemo = new UnsafeDemo();
        unsafe.putInt(unsafeDemo, offset, 100);

        //打印结果
        System.out.println(unsafeDemo.i);
    }
}

上述代码输出：

100

注意在这个案例中，我们不是直接给int型变量i赋值，而是通过调用以下方法进行赋值：

unsafe.putInt(unsafeDemo, offset, 100);

其中offset是表示的是i在内存中的偏移量。何谓偏移量？

JVM的实现可以自由选择如何实现Java对象的“布局”，也就是在内存里Java对象的各个部分放在哪里，包括对象的实例字段和一些元数据之类。sun.misc.Unsafe里关于对象字段访问的方法把对象布局抽象出来，它提供了objectFieldOffset()方法用于获取某个字段相对Java对象的“起始地址”的偏移量，也提供了getInt、getLong、getObject之类的方法可以使用前面获取的偏移量来访问某个Java对象的某个字段。

在上例中，我们通过putInt方法给一个int变量i赋值，类似的，Unsafe也提供了putLong、putFloat、putDouble、putChar、

putByte、putShort、putBoolean、以及putObject等方法给对应类型的变量赋值。并提供了相应的get方法。

突破限制创建实例

通过allocateInstance()方法，你可以创建一个类的实例，但是却不需要调用它的构造函数、初使化代码、各种JVM安全检查以及

其它的一些底层的东西。即使构造函数是私有，我们也可以通过这个方法创建它的实例。

（这个对单例模式情有独钟的程序员来说将会是一个噩梦，它们没有办法阻止这种方式调用）

看下面一个实例（注：为了配合这个主题，译者将原实例中的public构造函数修改为了私有的）：

public class UnsafeDemo2 {
    public static void main(String[] args) throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException, InstantiationException {
        //获取Unsafe实例
        Field f = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        f.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) f.get(null);

        // 这将在不进行任何初始化的情况下创建player类的实例
        Player player = (Player) unsafe.allocateInstance(Player.class);
        //打印年龄
        System.out.println(player.getAge());

        //给Player未实例化对象 设置年龄
        player.setAge(45);
        //打印年龄
        System.out.println(player.getAge());
    }
}

class Player {
    private int age;

    private Player() {
        this.age = 50;
    }

    public int getAge() {
        return this.age;
    }

    public void setAge(int age) {
        this.age = age;
    }
}

抛出checked异常

我们知道如果代码抛出了checked异常，要不就使用try...catch捕获它，要不就在方法签名上定义这个异常，但是，通过Unsafe我

们可以抛出一个checked异常，同时却不用捕获或在方法签名上定义它。

// 使用正常方式抛出IOException需要定义在方法签名上往外抛
public static void readFile() throws IOException {
    throw new IOException();
}
// 使用Unsafe抛出异常不需要定义在方法签名上往外抛
public static void readFileUnsafe() {
    unsafe.throwException(new IOException());
}

使用堆外内存

如果进程在运行过程中JVM上的内存不足了，会导致频繁的进行GC。理想情况下，我们可以考虑使用堆外内存，这是一块不受

JVM管理的。

使用Unsafe的allocateMemory()我们可以直接在堆外分配内存，这可能非常有用，但我们要记住，这个内存不受JVM管理，因此

我们要调用freeMemory()方法手动释放它。

假设我们要在堆外创建一个巨大的int数组，我们可以使用allocateMemory()方法来实现，在构造方法中调用allocateMemory()分配

内存，在使用完成后调用freeMemory()释放内存，代码如下：

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

/**
 * @author suidd
 * @name OffHeapArray
 * @description 堆外创建一个巨大的int数组，进行数据存储、读取demo
 * @date 2020/5/20 17:34
 * Version 1.0
 **/
public class OffHeapArray {
    // 一个int等于4个字节
    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();
        }
    }

    // 构造方法，分配内存
    public OffHeapArray(long size) {
        this.size = size;
        // 参数字节数
        address = unsafe.allocateMemory(size * INT);
    }

    // 获取指定索引处的元素
    public int get(long i) {
        return unsafe.getInt(address + i * INT);
    }

    // 设置指定索引处的元素
    public void set(long i, int value) {
        unsafe.putInt(address + i * INT, value);
    }

    // 元素个数
    public long size() {
        return size;
    }

    // 释放堆外内存
    public void freeMemory() {
        unsafe.freeMemory(address);
    }

    public static void main(String[] args) {
        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的位置重复放入元素

        int sum = 0;
        for (int i = 0; i < offHeapArray.size(); i++) {
            sum += offHeapArray.get(i);
        }

        // 打印12
        System.out.println(sum);
        //将内存释放回操作系统
        offHeapArray.freeMemory();
    }
}

最后，一定要记得调用freeMemory()将内存释放回操作系统。

CompareAndSwap操作

JUC下面大量使用了CAS操作，它们的底层是调用的Unsafe的CompareAndSwapXXX()方法。这种方式广泛运用于无锁算法，与

java中标准的悲观锁机制相比，它可以利用CAS处理器指令提供极大的加速。

比如，我们可以基于Unsafe的compareAndSwapInt()方法构建线程安全的计数器。

我们定义了一个volatile的字段count，以便对它的修改所有线程都可见，并在类加载的时候获取count在类中的偏移地址。

在increment()方法中，我们通过调用Unsafe的compareAndSwapInt()方法来尝试更新之前获取到的count的值，如果它没有被其

它线程更新过，则更新成功，否则不断重试直到成功为止。

我们可以通过使用多个线程来测试我们的代码：

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;
import java.util.concurrent.ExecutorService;
import java.util.concurrent.Executors;
import java.util.stream.IntStream;

/**
 * @author suidd
 * @name UnsafeCounter
 * @description 基于Unsafe的compareAndSwapInt()方法构建线程安全的计数器Demo
 * @date 2020/5/20 17:42
 * Version 1.0
 **/
public class UnsafeCounter {
    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(UnsafeCounter.class.getDeclaredField("count"));
        } catch (NoSuchFieldException e) {
            e.printStackTrace();
        } catch (IllegalAccessException e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }

    public void increment() {
        int before = count;
        // 失败了就重试直到成功为止
        while (!unsafe.compareAndSwapInt(this, offset, before, before + 1)) {
            before = count;
        }
    }

    public int getCount() {
        return count;
    }

    public static void main(String[] args) throws InterruptedException {
        UnsafeCounter counter = new UnsafeCounter();
        ExecutorService threadPool = Executors.newFixedThreadPool(100);

        // 起100个线程，每个线程自增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在上下文切换的时候使用了Unsafe中的两个非常牛逼的方法park()和unpark()。

当一个线程正在等待某个操作时，JVM调用Unsafe的park()方法来阻塞此线程。

当阻塞中的线程需要再次运行时，JVM调用Unsafe的unpark()方法来唤醒此线程。

我们之前在分析java中的集合时看到了大量的LockSupport.park()/unpark()，它们底层都是调用的Unsafe的这两个方法。

总结

使用Unsafe几乎可以操作一切：

（1）实例化一个类；

（2）修改私有字段的值；

（3）抛出checked异常；

（4）使用堆外内存；

（5）CAS操作；

（6）阻塞/唤醒线程；

（7）sun.misc.Unsafe提供了可以随意查看及修改JVM中运行时的数据结构，尽管这些功能在JAVA开发本身是不适用的，Unsafe

是一个用于研究学习HotSpot虚拟机非常棒的工具，因为它不需要调用C++代码，或者需要创建即时分析的工具。

彩蛋

论实例化一个类的方式？

（1）通过构造方法实例化一个类；

（2）通过Class实例化一个类；

（3）通过反射实例化一个类；

（4）通过克隆实例化一个类；

（5）通过反序列化实例化一个类；

（6）通过Unsafe实例化一个类；

import sun.misc.Unsafe;

import java.io.*;
import java.lang.reflect.Field;

/**
 * @author suidd
 * @name InstantialTest
 * @description 实例化一个类的方式
 * @date 2020/5/20 17:47
 * Version 1.0
 **/
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. 构造方法
        User user1 = new User();
        // 2. Class，里面实际也是反射
        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();
        }
    }
}

参考链接：http://www.tianshouzhi.com/api/tutorials/mutithread/304

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