曾续缘

切换主题

Unsafe类是Java中位于sun.misc包下的一个特殊类，它提供了底层的原子性操作和直接内存访问能力，是构建高性能并发数据结构的关键工具。这类操作通常与硬件特性紧密相关，因此对性能有极高的要求。

通常Unsafe的使用应限于JVM和Java核心库的开发者。对于一般的应用程序开发者，推荐使用java.util.concurrent包提供的更安全的并发抽象，这些抽象内部正是借助Unsafe来实现的。

类定义 ​

image-20240728003046866

查看代码
java
public final class Unsafe {

    static {
        Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, Set.of("getUnsafe"));
    }

    private Unsafe() {}

    private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();
    private static final jdk.internal.misc.Unsafe theInternalUnsafe = jdk.internal.misc.Unsafe.getUnsafe();
	// ...
}
  • public final class Unsafe：Unsafe类被声明为final，这意味着它不能被继承。
  • private Unsafe()：构造方法是私有的，防止外部通过new关键字创建Unsafe的实例。

单例实例 ​

java
private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe();

private static final Unsafe theUnsafe：theUnsafe是Unsafe类的一个单例实例，它是在类加载时创建的。

获取Unsafe实例的方法 ​

image-20240728003111178

java
@CallerSensitive
public static Unsafe getUnsafe() {
    Class<?> caller = Reflection.getCallerClass();
    if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader()))
        throw new SecurityException("Unsafe");
    return theUnsafe;
}

public static Unsafe getUnsafe()：这是一个公共静态方法，用于返回Unsafe的单例实例。由于这个方法是公共的，它看起来似乎可以随意调用，但实际上，它内部有安全检查，只有当调用它的类是BootstrapClassLoader加载的类时，才会成功，否则会抛出SecurityException。

获取Unsafe类的实例并不直接公开，因为它是一个内部API，设计上不鼓励在普通应用程序中使用。但是，可以通过反射的方式来获取Unsafe的单例实例。

查看代码
java
import jdk.internal.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;
public class UnsafeExample {
    public static void main(String[] args) {
        try {
            // 通过反射获取Unsafe的theUnsafe字段
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            // 设置字段可访问
            field.setAccessible(true);
            // 获取单例实例
            Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
            // 现在可以使用unsafe实例进行操作
            // 例如: unsafe.allocateMemory(1024); // 分配内存
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
}

  1. 获取theUnsafe字段：

    java
    Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

    这里我们使用getDeclaredField方法获取Unsafe类中名为theUnsafe的字段。

  2. 设置字段可访问：

    java
    field.setAccessible(true);

    由于theUnsafe字段是私有的，我们需要通过setAccessible(true)来覆盖Java的访问控制检查。

  3. 获取单例实例：

    java
    Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);

    通过调用field.get(null)，我们获取了theUnsafe字段的值，即Unsafe的单例实例。

相关操作 ​

Unsafe类提供了大量可以直接操作内存和对象的方法，这些方法大致可以分为以下几类：

内存操作 ​

这些方法允许直接访问和操作内存。

  • public native long allocateMemory(long bytes); 分配一块指定大小的内存空间，并返回基地址。
  • public native long reallocateMemory(long address, long bytes); 重新分配给定地址的内存块，返回新的基地址。
  • public native void freeMemory(long address); 释放给定地址的内存块。
  • public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value); 将给定内存块中的所有字节设置为指定的值。
  • public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes); 从源内存地址复制指定数量的字节到目标内存地址。
  • public native void copySwapMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes, long elemSize); 类似于copyMemory，但会在复制时对每个元素进行字节序转换。

对象操作 ​

这些方法允许直接操作对象和类。

  • public native Object allocateInstance(Class<?> cls) throws InstantiationException; 分配一个类的实例，但不调用任何构造方法。
  • public native long objectFieldOffset(Field f); 获取给定字段在对象中的偏移量。
  • public native Object staticFieldBase(Field f); 获取给定静态字段的基地址。
  • public native int staticFieldOffset(Field f); 获取给定静态字段在类中的偏移量。
  • public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c); 确定给定的类是否应该初始化。
  • public native void ensureClassInitialized(Class<?> c); 确保给定的类已经被初始化。

原子操作 ​

这些方法提供了原子性操作，常用于实现并发算法。

  • public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object x); 原子地比较并交换对象字段。
  • public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int x); 原子地比较并交换整数字段。
  • public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long x); 原子地比较并交换长整数字段。
  • public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x); 有序地写入对象字段，通常用于构建非阻塞数据结构。
  • public native void putOrderedInt(Object o, long offset, int x); 有序地写入整数字段。
  • public native void putOrderedLong(Object o, long offset, long x); 有序地写入长整数字段。

线程挂起和恢复 ​

这些方法用于挂起和恢复线程。

  • public native void unpark(Object thread); 唤醒挂起的线程。
  • public native void park(boolean isAbsolute, long time); 挂起当前线程，直到被唤醒或超时。

在底层，park可能会调用操作系统的同步原语，如Linux的futex或Windows的WaitOnAddress。

数组操作 ​

这些方法允许直接操作数组。

  • public native int arrayBaseOffset(Class<?> arrayClass); 获取给定数组类型的基地址偏移量。
  • public native int arrayIndexScale(Class<?> arrayClass); 获取给定数组类型的索引缩放因子。

内存屏障 ​

这些方法用于创建各种内存屏障，以防止指令重排。

  • public native void loadFence(); 在此屏障之前的加载操作全部完成之后，才能执行之后的加载操作。
  • public native void storeFence(); 在此屏障之前的存储操作全部完成之后，才能执行之后的存储操作。
  • public native void fullFence(); 在此屏障之前的加载和存储操作全部完成之后，才能执行之后的加载和存储操作。