Java基礎(chǔ)之Unsafe內(nèi)存操作不安全類詳解
簡介
Unsafe類使Java擁有了像C語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，也就意味著無法被GC，需要我們手動GC，稍有不慎就會出現(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)和被替換對象的地址，偏移量要自己計(jì)算，一旦出現(xiàn)問題就是JVM崩潰級別的異常，會導(dǎo)致整個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
public final class Unsafe
Unsafe類是"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;
這些屬性都是在類加載時初始化，它們都是一些類型數(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 對象不能直接通過 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)類加載器（bootstrap class loader）加載，非啟動類加載器直接調(diào)用 Unsafe.getUnsafe() 方法會拋出 SecurityException 異常。解決辦法：
1、可以令代碼 " 受信任 "。運(yùn)行程序時，通過 JVM 參數(shù)設(shè)置 bootclasspath 選項(xiàng)，指定系統(tǒng)類路徑加上使用的一個 Unsafe 路徑。
java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.Test
2、通過 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bytes指定內(nèi)存塊的大小(單位是byte)，返回新開辟的內(nèi)存的地址。 public native long allocateMemory(long var1); // 通過指定的內(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方法申請的內(nèi)存，將直接脫離jvm，gc將無法管理該方式申請的內(nèi)存，用完一定要手動釋放內(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申請堆外內(nèi)存。
Unsafe 獲取偏移量
// 返回指定變量所屬類中的內(nèi)存偏移量 public native long objectFieldOffset(Field var1); // 獲取數(shù)組中第一個元素的地址 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 檢查類初始化
// 檢測給定的類是否需要初始化。 // 當(dāng)ensureClassInitialized方法不生效的時候才返回false public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c); // 檢測給定的類是否已經(jīng)初始化。 public native void ensureClassInitialized(Class<?> c);
Unsafe 從指定位置讀取
// 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個byte public native byte getByte(long var1); // 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個short public native short getShort(long var1); // 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個char public native char getChar(long var1); // 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個int public native int getInt(long var1); // 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個long public native long getLong(long var1); // 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個float public native float getFloat(long var1); // 從指定內(nèi)存地址處開始讀取一個double public native double getDouble(long var1);
Unsafe 向指定位置寫值
// 向指定位置寫入一個int public native void putInt(long var1, int var3); // 向指定位置寫入一個char public native void putChar(long var1, char var3); // 向指定位置寫入一個byte public native void putByte(long var1, byte var3); // 向指定位置寫入一個short public native void putShort(long var1, short var3); // 向指定位置寫入一個long public native void putLong(long var1, long var3); // 向指定位置寫入一個float public native void putFloat(long var1, float var3); // 向指定位置寫入一個double public native void putDouble(long var1, double var3);
Unsafe 對象操作
從指定偏移量處讀取對象屬性(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);
針對對象進(jìn)行CAS操作，本質(zhì)更新對象中指定偏移量的屬性，當(dāng)原值為var4時才會更新成var5并返回true，否則返回false。
舉例：volatile i=0；有多個線程修改i的值，A線程只有在i=1時修改為2，如果代碼如下
if (i == 1) {i = 2;}
這樣時有問題的，if比較完i可能已經(jīng)被別人修改了，這種場景特別適合CAS，使用CAS代碼如下
boolean isUpdate = compareAndSwapInt(object, offset, 1, 2)
相當(dāng)于讀->判斷->寫一次搞定（實(shí)在不能理解CAS，可以這么理解）
Unsafe 線程的掛起和恢復(fù)
public native void park(boolean var1, long var2);
阻塞當(dāng)前線程直到一個unpark方法出現(xiàn)(被調(diào)用)、一個用于unpark方法已經(jīng)出現(xiàn)過(在此park方法調(diào)用之前已經(jīng)調(diào)用過)、線程被中斷或者time時間到期(也就是阻塞超時)。在time非零的情況下，如果isAbsolute為true，time是相對于新紀(jì)元之后的毫秒，否則time表示納秒。這個方法執(zhí)行時也可能不合理地返回(沒有具體原因)。并發(fā)包java.util.concurrent中的框架對線程的掛起操作被封裝在LockSupport類中，LockSupport類中有各種版本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)建的在一個線程上的阻塞。這個方法也可以被使用來終止一個先前調(diào)用park導(dǎo)致的阻塞。這個操作是不安全的，因此必須保證線程是存活的(thread has not been destroyed)。從Java代碼中判斷一個線程是否存活的是顯而易見的，但是從native代碼中這機(jī)會是不可能自動完成的。
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操作，一定在full屏障之前執(zhí)行完成，這個內(nèi)存屏障相當(dāng)于上面兩個(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double數(shù)組將會存放負(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中有效的元素個數(shù))。實(shí)驗(yàn)中這個方法一直返回-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);
繞過檢測機(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)存操作不安全類內(nèi)容請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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