Java Unsafe類(lèi)實(shí)現(xiàn)原理及測(cè)試代碼
Unsafe類(lèi)介紹
第一次看到這個(gè)類(lèi)時(shí)被它的名字嚇到了,居然還有一個(gè)類(lèi)自名Unsafe?讀完本文,大家也能發(fā)現(xiàn)Unsafe類(lèi)確實(shí)有點(diǎn)不那么安全,它能實(shí)現(xiàn)一些不那么常見(jiàn)的功能。
Unsafe類(lèi)使Java擁有了像C語(yǔ)言的指針一樣操作內(nèi)存空間的能力,同時(shí)也帶來(lái)了指針的問(wèn)題。過(guò)度的使用Unsafe類(lèi)會(huì)使得出錯(cuò)的幾率變大,因此Java官方并不建議使用的,官方文檔也幾乎沒(méi)有。Oracle正在計(jì)劃從Java 9中去掉Unsafe類(lèi),如果真是如此影響就太大了。
Unsafe類(lèi)提供了以下這些功能:
一、內(nèi)存管理。包括分配內(nèi)存、釋放內(nèi)存等。
該部分包括了allocateMemory(分配內(nèi)存)、reallocateMemory(重新分配內(nèi)存)、copyMemory(拷貝內(nèi)存)、freeMemory(釋放內(nèi)存 )、getAddress(獲取內(nèi)存地址)、addressSize、pageSize、getInt(獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù))、getIntVolatile(獲取內(nèi)存地址指向的整數(shù),并支持volatile語(yǔ)義)、putInt(將整數(shù)寫(xiě)入指定內(nèi)存地址)、putIntVolatile(將整數(shù)寫(xiě)入指定內(nèi)存地址,并支持volatile語(yǔ)義)、putOrderedInt(將整數(shù)寫(xiě)入指定內(nèi)存地址、有序或者有延遲的方法)等方法。getXXX和putXXX包含了各種基本類(lèi)型的操作。
利用copyMemory方法,我們可以實(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,當(dāng)然這通用的方法只能做到對(duì)象淺拷貝。
二、非常規(guī)的對(duì)象實(shí)例化。
allocateInstance()方法提供了另一種創(chuàng)建實(shí)例的途徑。通常我們可以用new或者反射來(lái)實(shí)例化對(duì)象,使用allocateInstance()方法可以直接生成對(duì)象實(shí)例,且無(wú)需調(diào)用構(gòu)造方法和其它初始化方法。
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。
三、操作類(lèi)、對(duì)象、變量。
這部分包括了staticFieldOffset(靜態(tài)域偏移)、defineClass(定義類(lèi))、defineAnonymousClass(定義匿名類(lèi))、ensureClassInitialized(確保類(lèi)初始化)、objectFieldOffset(對(duì)象域偏移)等方法。
通過(guò)這些方法我們可以獲取對(duì)象的指針,通過(guò)對(duì)指針進(jìn)行偏移,我們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。
四、數(shù)組操作。
這部分包括了arrayBaseOffset(獲取數(shù)組第一個(gè)元素的偏移地址)、arrayIndexScale(獲取數(shù)組中元素的增量地址)等方法。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(lèi)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。
五、多線(xiàn)程同步。包括鎖機(jī)制、CAS操作等。
這部分包括了monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit、compareAndSwapInt、compareAndSwap等方法。
其中monitorEnter、tryMonitorEnter、monitorExit已經(jīng)被標(biāo)記為deprecated,不建議使用。
Unsafe類(lèi)的CAS操作可能是用的最多的,它為Java的鎖機(jī)制提供了一種新的解決辦法,比如AtomicInteger等類(lèi)都是通過(guò)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。這是一種樂(lè)觀(guān)鎖,通常認(rèn)為在大部分情況下不出現(xiàn)競(jìng)態(tài)條件,如果操作失敗,會(huì)不斷重試直到成功。
六、掛起與恢復(fù)。
這部分包括了park、unpark等方法。
將一個(gè)線(xiàn)程進(jìn)行掛起是通過(guò)park方法實(shí)現(xiàn)的,調(diào)用 park后,線(xiàn)程將一直阻塞直到超時(shí)或者中斷等條件出現(xiàn)。unpark可以終止一個(gè)掛起的線(xiàn)程,使其恢復(fù)正常。整個(gè)并發(fā)框架中對(duì)線(xiàn)程的掛起操作被封裝在 LockSupport類(lèi)中,LockSupport類(lèi)中有各種版本pack方法,但最終都調(diào)用了Unsafe.park()方法。
七、內(nèi)存屏障。
這部分包括了loadFence、storeFence、fullFence等方法。這是在Java 8新引入的,用于定義內(nèi)存屏障,避免代碼重排序。
loadFence() 表示該方法之前的所有l(wèi)oad操作在內(nèi)存屏障之前完成。同理storeFence()表示該方法之前的所有store操作在內(nèi)存屏障之前完成。fullFence()表示該方法之前的所有l(wèi)oad、store操作在內(nèi)存屏障之前完成。
測(cè)試代碼
import com.User; import org.junit.Before; import org.junit.Test; import sun.misc.Unsafe; import java.lang.reflect.Field; import java.util.ArrayList; import java.util.UUID; import java.util.concurrent.CountDownLatch; class User { public static String USER_CLASS_NAME = "User.class"; private int age; private String name; public int getAge() { return age; } public String getName() { return name; } public User(int age, String name) { this.age = age; this.name = name; } public void setAge(int age) { this.age = age; } public void setName(String name) { this.name = name; } } public class LockTests { Unsafe unSafe; User u = new User(17, "zhangsan"); @Before public void before() throws Exception { Field theUnsafeField = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); theUnsafeField.setAccessible(true); unSafe = (Unsafe) theUnsafeField.get(Unsafe.class); } @Test public void objectFieldOffset() throws Exception { // unSafe偏底層的一個(gè)Java工具類(lèi) java.util.List users = new ArrayList(); for (int i = 0; i < 10; i++) { Field ageField = User.class.getDeclaredField("age"); User u = new User(18, "daxin"); users.add(u); //使用內(nèi)存獲取User age字段在內(nèi)存中的 offset // 是相對(duì)地址,不是一個(gè)絕對(duì)地址 long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField); // 每次都相同 System.out.println("ageOffset = " + ageOffset); } } @Test public void compareAndSwapInt() throws Exception { // unSafe偏底層的一個(gè)Java工具類(lèi) Field ageField = User.class.getDeclaredField("age"); User u = new User(18, "daxin"); //使用內(nèi)存獲取User age字段在內(nèi)存中的 offset long ageOffset = unSafe.objectFieldOffset(ageField); // 修改之前的值 System.out.println(u.getAge()); // 進(jìn)行CAS更新, 由于設(shè)置18 因此CAS 會(huì)成功 unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 20); System.out.println(u.getAge()); // 由于age設(shè)置20 進(jìn)行CAS失敗 unSafe.compareAndSwapInt(u, ageOffset, 18, 22); System.out.println(u.getAge()); } @Test public void ensureClassInitialized() { System.out.println("==== start ===="); unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class); // 再次 確認(rèn)不會(huì)報(bào)錯(cuò) unSafe.ensureClassInitialized(ClassIsLoad.class); } /** * AQS 底層的Node鏈表就是基于這個(gè)工具實(shí)現(xiàn)的 。 * * @throws Exception */ @Test public void getValueByFieldOffset() throws Exception { for (int i = 0; i < 10; i++) { User u = new User(18, UUID.randomUUID().toString().substring(i, 20)); int age = unSafe.getInt(u, 12L); System.out.println("age = " + age); // 獲取名字 field offset Field nameField = User.class.getDeclaredField("name"); long nameOffset = unSafe.objectFieldOffset(nameField); System.out.println("nameOffset = " + nameOffset); String name = unSafe.getObject(u, nameOffset) + ""; System.out.println("name = " + name); } } @Test public void pageSize() { System.out.println("unSafe.pageSize() = " + unSafe.pageSize()); } /** * AtomicInteger 底層是基于getAndAddInt實(shí)現(xiàn) */ @Test public void getAndAddInt() throws InterruptedException { User u = new User(17, "zhangsan"); CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10); System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge()); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { downLatch.countDown(); int val = unSafe.getAndAddInt(u, 12L, 1); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " val = " + val); } }).start(); } Thread.sleep(5000); System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge()); } @Test public void getAndSetInt() throws InterruptedException { User u = new User(17, "zhangsan"); CountDownLatch downLatch = new CountDownLatch(10); System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge()); for (int i = 0; i < 10; i++) { new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { downLatch.countDown(); int val = unSafe.getAndSetInt(u, 12L, 10); System.out.println(Thread.currentThread().getName() + " val = " + val); } }).start(); } Thread.sleep(5000); System.out.println("u.getAge() = " + u.getAge()); } @Test public void getIntVolatile() { for (int i = 0; i < 10; i++) { u.setAge(i); /** * @param obj the object containing the field to modify. * @param offset the offset of the integer field within <code>obj</code>. * @return */ int age = unSafe.getIntVolatile(u, 12L); System.out.println("age = " + age); } } // 系統(tǒng)負(fù)載采樣的接口 @Test public void getLoadAverage() { double[] nums = new double[8]; int val = unSafe.getLoadAverage(nums, 8); System.out.println(val); } /** * //內(nèi)存屏障,禁止load操作重排序。屏障前的load操作不能被重排序到屏障后,屏障后的load操作不能被重排序到屏障前 * public native void loadFence(); * <p> * <p> * 參見(jiàn):https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html */ @Test public void loadFence() { //java.util.concurrent.locks.StampedLock.validate unSafe.loadFence(); } /** * //內(nèi)存屏障,禁止store操作重排序。屏障前的store操作不能被重排序到屏障后,屏障后的store操作不能被重排序到屏障前 * public native void storeFence(); * 參見(jiàn):https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html */ @Test public void storeFence() { } /** * //內(nèi)存屏障,禁止load、store操作重排序 * public native void fullFence(); * 參見(jiàn):https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html */ @Test public void fullFence() { } @Test public void shouldBeInitialized() { boolean shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(String.class); System.out.println(shouldBeInitialized); shouldBeInitialized = unSafe.shouldBeInitialized(User.class); System.out.println(shouldBeInitialized); } /** * synchronized 的一種實(shí)現(xiàn)獲取鎖 * * @throws InterruptedException */ @Test public void monitorEnter() throws InterruptedException { unSafe.monitorEnter(u); new Thread(new Runnable() { @Override public void run() { synchronized (u) { System.out.println("==u lock got =="); } } }).start(); Thread.sleep(2000); unSafe.monitorExit(u); } @Test public void compareAndSwap() { // unSafe.compareAndSwapInt(對(duì)象, 對(duì)象中的字段偏移, 期望值, 設(shè)置值) // unSafe.compareAndSwapLong(對(duì)象, 對(duì)象中的字段偏移, 期望值, 設(shè)置值) // unSafe.compareAndSwapObject(對(duì)象, 對(duì)象中的字段偏移, 期望值, 設(shè)置值) } @Test public void t() { // 方法簽名 // public void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset,Object destBase, long destOffset, long bytes) // unSafe.copyMemory(); } } class ClassIsLoad { static { System.out.println("ClassIsLoad class Is Load !"); } }
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