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Java Unsafe類(lèi)實(shí)現(xiàn)原理及測(cè)試代碼

 更新時(shí)間:2020年09月15日 08:59:14   作者:bf378  
這篇文章主要介紹了Java Unsafe類(lèi)實(shí)現(xiàn)原理及測(cè)試代碼,文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì),對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下

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 !");
  }
}

以上就是本文的全部?jī)?nèi)容,希望對(duì)大家的學(xué)習(xí)有所幫助,也希望大家多多支持腳本之家。

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