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Java基礎(chǔ)之Unsafe內(nèi)存操作不安全類(lèi)詳解

 更新時(shí)間：2021年06月07日 08:53:20   作者：源碼獵人  
Java是面向?qū)ο笳Z(yǔ)言,在使用Java編程時(shí),大多數(shù)情況下都不會(huì)直接操作內(nèi)存,而且Java也不提倡直接操作內(nèi)存,但是Java中到底有沒(méi)有可以直接操作內(nèi)存的工具類(lèi)呢？有！Java中提供Unsafe類(lèi)可以用來(lái)來(lái)直接操作內(nèi)存,文中詳細(xì)介紹了Unsafe內(nèi)存操作不安全類(lèi),需要的朋友可以參考下

簡(jiǎn)介

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，直接操作內(nèi)存就意味著

1、不受jvm管理，也就意味著無(wú)法被GC，需要我們手動(dòng)GC，稍有不慎就會(huì)出現(xiàn)內(nèi)存泄漏。

2、Unsafe的不少方法中必須提供原始地址(內(nèi)存地址)和被替換對(duì)象的地址，偏移量要自己計(jì)算，一旦出現(xiàn)問(wèn)題就是JVM崩潰級(jí)別的異常，會(huì)導(dǎo)致整個(gè)JVM實(shí)例崩潰，表現(xiàn)為應(yīng)用程序直接crash掉。

3、直接操作內(nèi)存，也意味著其速度更快，在高并發(fā)的條件之下能夠很好地提高效率。

Unsafe 類(lèi)

public final class Unsafe

Unsafe類(lèi)是"final"的，不允許繼承。

Unsafe 屬性

private static final Unsafe theUnsafe;
public static final int INVALID_FIELD_OFFSET = -1;
public static final int ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_INT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_LONG_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET;
public static final int ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_INT_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_LONG_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE;
public static final int ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE;
public static final int ADDRESS_SIZE;

這些屬性都是在類(lèi)加載時(shí)初始化，它們都是一些類(lèi)型數(shù)組指針。

Unsafe 靜態(tài)加載

static {
	registerNatives();
	Reflection.registerMethodsToFilter(Unsafe.class, new String[]{"getUnsafe"});
	theUnsafe = new Unsafe();
	ARRAY_BOOLEAN_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(boolean[].class);
	ARRAY_BYTE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(byte[].class);
	ARRAY_SHORT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(short[].class);
	ARRAY_CHAR_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(char[].class);
	ARRAY_INT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(int[].class);
	ARRAY_LONG_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(long[].class);
	ARRAY_FLOAT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(float[].class);
	ARRAY_DOUBLE_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(double[].class);
	ARRAY_OBJECT_BASE_OFFSET = theUnsafe.arrayBaseOffset(Object[].class);
	ARRAY_BOOLEAN_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(boolean[].class);
	ARRAY_BYTE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(byte[].class);
	ARRAY_SHORT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(short[].class);
	ARRAY_CHAR_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(char[].class);
	ARRAY_INT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(int[].class);
	ARRAY_LONG_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(long[].class);
	ARRAY_FLOAT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(float[].class);
	ARRAY_DOUBLE_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(double[].class);
	ARRAY_OBJECT_INDEX_SCALE = theUnsafe.arrayIndexScale(Object[].class);
	ADDRESS_SIZE = theUnsafe.addressSize();
}
private static native void registerNatives();

Unsafe 構(gòu)造函數(shù)

private Unsafe() {
}

Unsafe 對(duì)象不能直接通過(guò) new Unsafe()，它的構(gòu)造函數(shù)是私有的。

Unsafe 實(shí)例化方法

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

getUnsafe 只能從引導(dǎo)類(lèi)加載器（bootstrap class loader）加載，非啟動(dòng)類(lèi)加載器直接調(diào)用 Unsafe.getUnsafe() 方法會(huì)拋出 SecurityException 異常。解決辦法：

1、可以令代碼 " 受信任 "。運(yùn)行程序時(shí)，通過(guò) JVM 參數(shù)設(shè)置 bootclasspath 選項(xiàng)，指定系統(tǒng)類(lèi)路徑加上使用的一個(gè) Unsafe 路徑。

java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.Test

2、通過(guò) Java 反射機(jī)制，暴力獲取。

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

Unsafe 內(nèi)存管理

// 獲取本地指針的大小(單位是byte)，通常值為4或者8。常量ADDRESS_SIZE就是調(diào)用此方法。
public native int addressSize();
// 獲取本地內(nèi)存的頁(yè)數(shù)，此值為2的冪次方。
public native int pageSize();
// 分配一塊新的本地內(nèi)存，通過(guò)bytes指定內(nèi)存塊的大小(單位是byte)，返回新開(kāi)辟的內(nèi)存的地址。
public native long allocateMemory(long var1);
// 通過(guò)指定的內(nèi)存地址address重新調(diào)整本地內(nèi)存塊的大小，調(diào)整后的內(nèi)存塊大小通過(guò)bytes指定(單位為byte)。
public native long reallocateMemory(long var1, long var3);
// 將給定內(nèi)存塊中的所有字節(jié)設(shè)置為固定值(通常是0)
public native void setMemory(Object var1, long var2, long var4, byte var6);
// 內(nèi)存復(fù)制
public native void copyMemory(Object var1, long var2, Object var4, long var5, long var7);
// 清除內(nèi)存
public native void freeMemory(long var1);

注意：allocateMemory方法申請(qǐng)的內(nèi)存，將直接脫離jvm，gc將無(wú)法管理該方式申請(qǐng)的內(nèi)存，用完一定要手動(dòng)釋放內(nèi)存，防止內(nèi)存溢出；
JDK中示例：ByteBuffer.allocateDirect(int capacity)使用DirectByteBuffer，DirectByteBuffer中就是用allocateMemory申請(qǐng)堆外內(nèi)存。

Unsafe 獲取偏移量

// 返回指定變量所屬類(lèi)中的內(nèi)存偏移量
public native long objectFieldOffset(Field var1);
// 獲取數(shù)組中第一個(gè)元素的地址
public native int arrayBaseOffset(Class<?> var1);
// 獲取靜態(tài)變量地址偏移值
public native long staticFieldOffset(Field var1);
// 其實(shí)就是數(shù)據(jù)中元素偏移地址的增量，數(shù)組中的元素的地址是連續(xù)的
public native int arrayIndexScale(Class<?> var1);

Unsafe 檢查類(lèi)初始化

// 檢測(cè)給定的類(lèi)是否需要初始化。
// 當(dāng)ensureClassInitialized方法不生效的時(shí)候才返回false
public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c);
// 檢測(cè)給定的類(lèi)是否已經(jīng)初始化。
public native void ensureClassInitialized(Class<?> c);

Unsafe 從指定位置讀取

// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)byte
public native byte getByte(long var1);
// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)short 
public native short getShort(long var1);
// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)char 
public native char getChar(long var1);
// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)int 
public native int getInt(long var1);
// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)long 
public native long getLong(long var1);
// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)float 
public native float getFloat(long var1);
// 從指定內(nèi)存地址處開(kāi)始讀取一個(gè)double 
public native double getDouble(long var1);

Unsafe 向指定位置寫(xiě)值

// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)int 
public native void putInt(long var1, int var3);
// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)char 
public native void putChar(long var1, char var3);
// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)byte 
public native void putByte(long var1, byte var3);
// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)short 
public native void putShort(long var1, short var3);
// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)long 
public native void putLong(long var1, long var3);
// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)float 
public native void putFloat(long var1, float var3);
// 向指定位置寫(xiě)入一個(gè)double 
public native void putDouble(long var1, double var3);

Unsafe 對(duì)象操作

從指定偏移量處讀取對(duì)象屬性(非主存)

public native int getInt(Object var1, long var2);
public native Object getObject(Object var1, long var2);
public native boolean getBoolean(Object var1, long var2);
public native byte getByte(Object var1, long var2);
public native short getShort(Object var1, long var2);
public native char getChar(Object var1, long var2);
public native long getLong(Object var1, long var2);
public native float getFloat(Object var1, long var2);
public native double getDouble(Object var1, long var2);

向指定偏移量處修改對(duì)象屬性(非主存)

public native void putInt(Object var1, long var2, int var4);
public native void putObject(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putBoolean(Object var1, long var2, boolean var4);
public native void putByte(Object var1, long var2, byte var4);
public native void putShort(Object var1, long var2, short var4);
public native void putChar(Object var1, long var2, char var4);
public native void putLong(Object var1, long var2, long var4);
public native void putFloat(Object var1, long var2, float var4);
public native void putDouble(Object var1, long var2, double var4);

向指定偏移量處修改對(duì)象屬性(主存)

public native Object getObjectVolatile(Object var1, long var2);
public native int getIntVolatile(Object var1, long var2);
public native boolean getBooleanVolatile(Object var1, long var2);
public native byte getByteVolatile(Object var1, long var2);
public native short getShortVolatile(Object var1, long var2);
public native char getCharVolatile(Object var1, long var2);
public native long getLongVolatile(Object var1, long var2);
public native float getFloatVolatile(Object var1, long var2);
public native double getDoubleVolatile(Object var1, long var2);

向指定偏移量處修改對(duì)象屬性(主存)

public native void putObjectVolatile(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putIntVolatile(Object var1, long var2, int var4);
public native void putBooleanVolatile(Object var1, long var2, boolean var4);
public native void putByteVolatile(Object var1, long var2, byte var4);
public native void putShortVolatile(Object var1, long var2, short var4);
public native void putCharVolatile(Object var1, long var2, char var4);
public native void putLongVolatile(Object var1, long var2, long var4);
public native void putFloatVolatile(Object var1, long var2, float var4);
public native void putDoubleVolatile(Object var1, long var2, double var4);
public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putOrderedObject(Object var1, long var2, Object var4);
public native void putOrderedInt(Object var1, long var2, int var4);
public native void putOrderedLong(Object var1, long var2, long var4);

Unsafe CAS操作

public final native boolean compareAndSwapObject(Object var1, long var2, Object var4, Object var5);
public final native boolean compareAndSwapInt(Object var1, long var2, int var4, int var5);
public final native boolean compareAndSwapLong(Object var1, long var2, long var4, long var6);

針對(duì)對(duì)象進(jìn)行CAS操作，本質(zhì)更新對(duì)象中指定偏移量的屬性，當(dāng)原值為var4時(shí)才會(huì)更新成var5并返回true，否則返回false。
舉例：volatile i=0；有多個(gè)線(xiàn)程修改i的值，A線(xiàn)程只有在i=1時(shí)修改為2，如果代碼如下

if (i == 1) {i = 2;}

這樣時(shí)有問(wèn)題的，if比較完i可能已經(jīng)被別人修改了，這種場(chǎng)景特別適合CAS，使用CAS代碼如下

boolean isUpdate =  compareAndSwapInt(object, offset, 1, 2)

相當(dāng)于讀->判斷->寫(xiě)一次搞定（實(shí)在不能理解CAS，可以這么理解）

Unsafe 線(xiàn)程的掛起和恢復(fù)

public native void park(boolean var1, long var2);

阻塞當(dāng)前線(xiàn)程直到一個(gè)unpark方法出現(xiàn)(被調(diào)用)、一個(gè)用于unpark方法已經(jīng)出現(xiàn)過(guò)(在此park方法調(diào)用之前已經(jīng)調(diào)用過(guò))、線(xiàn)程被中斷或者time時(shí)間到期(也就是阻塞超時(shí))。在time非零的情況下，如果isAbsolute為true，time是相對(duì)于新紀(jì)元之后的毫秒，否則time表示納秒。這個(gè)方法執(zhí)行時(shí)也可能不合理地返回(沒(méi)有具體原因)。并發(fā)包java.util.concurrent中的框架對(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。

public native void unpark(Object var1);

釋放被park創(chuàng)建的在一個(gè)線(xiàn)程上的阻塞。這個(gè)方法也可以被使用來(lái)終止一個(gè)先前調(diào)用park導(dǎo)致的阻塞。這個(gè)操作是不安全的，因此必須保證線(xiàn)程是存活的(thread has not been destroyed)。從Java代碼中判斷一個(gè)線(xiàn)程是否存活的是顯而易見(jiàn)的，但是從native代碼中這機(jī)會(huì)是不可能自動(dòng)完成的。

Unsafe 內(nèi)存屏障

public native void loadFence();

在該方法之前的所有讀操作，一定在load屏障之前執(zhí)行完成。

public native void storeFence();

在該方法之前的所有寫(xiě)操作，一定在store屏障之前執(zhí)行完成

public native void fullFence();

在該方法之前的所有讀寫(xiě)操作，一定在full屏障之前執(zhí)行完成，這個(gè)內(nèi)存屏障相當(dāng)于上面兩個(gè)(load屏障和store屏障)的合體功能。

Unsafe 其他

public native int getLoadAverage(double[] loadavg, int nelems);

獲取系統(tǒng)的平均負(fù)載值，loadavg這個(gè)double數(shù)組將會(huì)存放負(fù)載值的結(jié)果，nelems決定樣本數(shù)量，nelems只能取值為1到3，分別代表最近1、5、15分鐘內(nèi)系統(tǒng)的平均負(fù)載。如果無(wú)法獲取系統(tǒng)的負(fù)載，此方法返回-1，否則返回獲取到的樣本數(shù)量(loadavg中有效的元素個(gè)數(shù))。實(shí)驗(yàn)中這個(gè)方法一直返回-1，其實(shí)完全可以使用JMX中的相關(guān)方法替代此方法。

public native void throwException(Throwable ee);

繞過(guò)檢測(cè)機(jī)制直接拋出異常。

到此這篇關(guān)于Java基礎(chǔ)之Unsafe內(nèi)存操作不安全類(lèi)詳解的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Unsafe內(nèi)存操作不安全類(lèi)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家！

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