你一定不知道的Java Unsafe用法詳解

更新時間：2021年10月30日 12:20:12 作者：接地氣程序員

Unsafe是位于sun.misc包下的一個類,主要提供一些用于執(zhí)行低級別、不安全操作的方法,如直接訪問系統(tǒng)內(nèi)存資源、自主管理內(nèi)存資源等,下面這篇文章主要給大家介紹了關(guān)于Java Unsafe用法的相關(guān)資料,需要的朋友可以參考下

Unsafe是什么

首先我們說Unsafe類位于rt.jar里面sun.misc包下面，Unsafe翻譯過來是不安全的，這倒不是說這個類是不安全的，而是說開發(fā)人員使用Unsafe是不安全的，也就是不推薦開發(fā)人員直接使用Unsafe。而且Oracle JDK源碼包里面是沒有Unsafe的源碼的。其實JUC包里面的類大部分都用到了Unsafe，可以說Unasfe是java并發(fā)包的基石。

如何正確地獲取Unsafe對象

我們從源碼中看如何獲取Unsafe對象

private Unsafe() {
}

首先構(gòu)造方法私有化，這就說明我們不能通過new Unsafe的方式創(chuàng)建Unsafe對象。

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

我又發(fā)現(xiàn)有一個靜態(tài)方法，方法名為getUnsafe，而且返回值為Unsafe，看來調(diào)用這個方法可以獲取Unsafe對象。

為此我又編寫了如下代碼測試這樣是否行得通

public static void main(String[] args) throws Exception{
        Unsafe unsafe = Unsafe.getUnsafe();
        System.out.println(unsafe);
}

誰知道控制臺竟然報錯了

看錯誤提示信息是權(quán)限方面的錯誤，但是我看AtomicBoolean類獲取Unsafe的方式就是調(diào)用getUnsafe方法，可能是只允許JDK內(nèi)部的類可以通過這種方式訪問吧，這里我們不深究，再想別的辦法獲取。

繼續(xù)看源碼找突破口

Unsafe類里面第一個常量是 private static final Unsafe theUnsafe; 用static和final修飾而且沒有直接賦值，這就說明肯定有靜態(tài)代碼塊對theUnsafe賦值了，然后再類的底部發(fā)現(xiàn)了。

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();
    }

第四行對theUnsafe進行了賦值。也就是說在類加載完成后Unsafe里面的theUnsafe常量就已經(jīng)賦值好了Unsafe對象，如果我們想獲取Unsafe對象只要用反射拿到theUnsafe屬性就可以了。

/**
     * 獲得Unsafe
     * @throws NoSuchFieldException
     * @throws IllegalAccessException
     */
    public static Unsafe getUnsafe() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
        Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
        //私有屬性可以訪問
        field.setAccessible(true);
        Unsafe unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        System.out.println(unsafe);
        return unsafe;
    }

Unsafe實現(xiàn)CAS鎖

CAS是compare and swap的縮寫，中文翻譯成比較并交換。在juc包下Atomic開頭的類都是使用的CAS鎖實現(xiàn)的并發(fā)條件下對一個變量賦值不覆蓋的。我們也可以自己使用Unsafe實現(xiàn)CAS鎖。

 interface Counter{
        void increment();
        long getCounter();
    }
 /**
     * 自己用unsafe實現(xiàn)CAS鎖
     */
    static class CasCounter implements Counter{
        private volatile long counter = 0;
        private Unsafe unsafe;
        private long offset;

        CasCounter() throws NoSuchFieldException, IllegalAccessException {
            unsafe = getUnsafe();
            //獲得該類counter屬性內(nèi)存偏移量起始位置
            offset = unsafe.objectFieldOffset(CasCounter.class.getDeclaredField("counter"));
        }

        @Override
        public void increment() {
            long current = counter;
            //循環(huán)判斷是否賦值成功  第一個參數(shù)為調(diào)用本方法的對象，第二個參數(shù)為要更改屬性的內(nèi)存偏移量，第三個參數(shù)是未修改之前的值，第四個參數(shù)是想要修改為那個值。
            while (!unsafe.compareAndSwapLong(this,offset,current,current+1)){
                current = counter;
            }
        }

        @Override
        public long getCounter() {
            return counter;
        }
    }

這里我們主要看unsafe.objectFieldOffset(CasCounter.class.getDeclaredField("counter"));這一行代碼，因為通過CAS對屬性值進行更改是直接在內(nèi)存上進行更改的，所以我們需要拿到這個對象的counter屬性的內(nèi)存偏移量。

再看increment方法，這里我們在更改之前先拿到counter的值，unsafe.compareAndSwapLong方法就是根據(jù)內(nèi)存偏移量進行更改值的，第一個參數(shù)確定那個對象，第二個參數(shù)確定那個屬性，第三個參數(shù)比對要更改屬性的原值，第四個參數(shù)要更改的值。如果更改成功則返回true，更改失敗返回false。這里的邏輯是更改失敗就一直更改，知道更改成功才跳出循環(huán)。這樣就會有效的防止屬性值被覆蓋的問題。我們寫的CasCounter類就實現(xiàn)了AtomicInteger類的部分功能。

使用Unsafe創(chuàng)建對象

我們都知道反射可以‘走后門'創(chuàng)建對象，其實Unsafe也是可以的

static class Simple{
        static {
            System.out.println("類初始化");
        }
        private long l = 0;

        public Simple(){
            this.l = 1;
            System.out.println("對象初始化");
        }

        public long get(){
            return l;
        }
}

 public static void main(String[] args) throws Exception {
      Unsafe unsafe = getUnsafe();
        //相當于直接在內(nèi)存中開辟一塊地址,不運行構(gòu)造方法
        Simple simple = (Simple) unsafe.allocateInstance(Simple.class);
        System.out.println("通過unsafe創(chuàng)建對象不會運行構(gòu)造方法: " + simple.get());
        System.out.println("但是可以通過對象獲得class對象" + simple.getClass());
        System.out.println("也可以拿到類加載器 " + simple.getClass().getClassLoader());
 }

控制臺輸出如下

這里我們發(fā)現(xiàn)使用Unsafe創(chuàng)建對象并沒有運行構(gòu)造方法，而只是將對象創(chuàng)建出來了。而使用反射創(chuàng)建對象是會運行構(gòu)造方法的和使用new的方式創(chuàng)建對象別無二致。所以不推薦使用Unsafe創(chuàng)建對象。

Unsafe加載類

既然Unsafe是直接操作的內(nèi)存那應(yīng)該也可以加載類，下面我們看看Unsafe是如何加載類的。

我們先自己編寫A類

public class A
{
 private int i = 0;
 
 public A(){
  this.i = 10;
 }

 public int get(){
  return i;
 }
}

然后運行javac A.java 生成A.class此時A.class的位置是F:\tmp

其次我們編寫Unsafe加載class的代碼

 /**
     * 通過class文件獲得二進制
     * @return
     * @throws IOException
     */
    public static byte[] loadClassContent() throws IOException {
        File file = new File("F:\\tmp\\a.class");
        FileInputStream fis = new FileInputStream(file);
        byte[] content = new byte[(int) file.length()];
        fis.read(content);
        fis.close();
        return content;
    }
    public static void main(String[] args) throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        byte[] bytes = loadClassContent();
        Class<?> aClass = unsafe.defineClass(null, bytes, 0, bytes.length,null,null);
        Method get = aClass.getMethod("get");
        int i = (int) get.invoke(aClass.newInstance(), null);
        System.out.println(i);
    }

這里unsafe.defineClass方法就是加載類的方法。

運行后輸出結(jié)果為10

這樣我們就實現(xiàn)了通過Unsafe加載類。

Unsafe更改私有屬性值

我們都知道反射可以更改對象私有屬性值，其實Unsafe也可以直接更改私有屬性值，代碼如下

static class Guard{
        private int ACCESS_ALLOWED = 1;

        private boolean allow(){
            return 42==ACCESS_ALLOWED;
        }

        public void work(){
            if (allow()){
                System.out.println("你進行了暗箱操作");
            }
        }
 }
public static void main(String[] args) throws Exception {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        Guard guard = new Guard();
        Field access_allowed = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
        unsafe.putInt(guard,unsafe.objectFieldOffset(access_allowed),42);
        guard.work();
}

輸出結(jié)果為你進行了暗箱操作，putInt方法第一個參數(shù)是要更改的屬性屬于哪個對象，第二個參數(shù)是要更改屬性的內(nèi)存偏移量，第三個參數(shù)是要改成什么值。其實就是直接更改指定內(nèi)存地址中的int屬性的值。這樣我們就完成了使用Unsafe更改對象私有屬性值。

Unsafe類能直接操作內(nèi)存的特性決定了它能走太多的后門了，而且大部分方法都是native修飾的，底層調(diào)用的C++。估計這也是Unsafe的不安全的原因。