Java Unsafe学习笔记分享

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目录sun.misc.Unsafe获取Unsafe实例重点API使用场景避免初始化内存崩溃(Memory corruption)抛出异常(Throw an Exception)大数组(Big Arrays)并发(Concurrency)挂起与恢复Unsafe API知识点park和unpark的灵活之处

sun.misc.Unsafe

作用：可以用来在任意内存地址位置处读写数据，支持一些CAS原子操作

java最初被设计为一种安全的受控环境。尽管如此，HotSpot还是包含了一个后门sun.misc.Unsafe，提供了一些可以直接操控内存和线程的底层操作。Unsafe被JDK广泛应用于java.nio和并发包等实现中，这个不安全的类提供了一个观察HotSpot JVM内部结构并且可以对其进行修改，但是不建议在生产环境中使用

获取Unsafe实例

Unsafe对象不能直接通过new Unsafe()或调用Unsafe.getUnsafe()获取，原因如下：

不能直接new Unsafe()，原因是Unsafe被设计成单例模式，构造方法是私有的；

不能通过调用Unsafe.getUnsafe()获取，因为getUnsafe被设计成只能从引导类加载器(bootstrap class loader)加载

@CallerSensitive

public static Unsafe getUnsafe() {

Class var0 = Reflection.getCallerClass();

if (!VM.isSystemDomainLoader(var0.getClassLoader())) {

throw new SecurityException("Unsafe");

} else {

return theUnsafe;

}

}

获取实例

//方法一：我们可以令我们的代码“受信任”。运行程序时，使用bootclasspath选项，指定系统类路径加上你使用的一个Unsafe路径

java -Xbootclasspath:/usr/jdk1.7.0/jre/lib/rt.jar:. com.mishadoff.magic.UnsafeClient

// 方法二

static {

try {

Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

field.setAccessible(true);

UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);

} catch (Exception e) {

}

}

注意：忽略你的IDE。比如：eclipse显示”Access restriction…”错误，但如果你运行代码，它将正常运行。如果这个错误提示令人烦恼，可以通过以下设置来避免：

Preferences -> Java -> Compiler -> Errors/Warnings -> Deprecated and restricted API -> Forbidden reference -> Warning

重点API

allocateInstance(Class> var1)不调用构造方法生成对象

User instance = (User) UNSAFE.allocateInstance(User.class);

objectFieldOffset(Field var1)返回成员属性在内存中的地址相对于对象内存地址的偏移量

putLong，putInt，putDouble，putChar，putObject等方法，直接修改内存数据（可以越过访问权限）

package com.quancheng;

import sun.misc.Unsafe;

import java.lang.reflect.Field;

public class CollectionApp {

prelmdDBpjgVivate static sun.misc.Unsafe UNSAFE;

public static void main(String[] args) {

try {

User instance = (User) UNSAFE.allocateInstance(User.class);

instance.setName("luoyoub");

System.err.println("instance:" + instance);

instance.test();

Field name = instance.getClass().getDeclaredField("name");

UNSAFE.putObject(instance, UNSAFE.objectFieldOffset(name), "huanghui");

instance.test();

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}

static {

try {

Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

field.setAccessible(true);

UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);

} catch (Exception e) {

}

}

}

class User {

private String name;

public void setName(String name) {

this.name = name;

}

public void test() {

System.err.println("hello,world" + name);

}

}

copyMemory：内存数据拷贝

freeMemory：用于释放allocateMemory和reallocateMemory申请的内存

compareelmdDBpjgVAndSwapInt/compareAndSwapLongCAS操作

getLongVolatile/putLongVolatile

使用场景

避免初始化

当你想要跳过对象初始化阶段，或绕过构造器的安全检查，或实例化一个没有任何公共构造器的类，allocateInstance方法是非常有用的，使用构造器、反射和unsafe初始化它，将得到不同的结果

public class CollectionApp {

private static sun.misc.Unsafe UNSAFE;

public static void main(String[] args) throws IllegalAccessException, InstantiationException {

A a = new A();

a.test(); // output ==> 1

A a1 = A.class.newInstance();

a1.test(); // output ==> 1

A instance = (A) UNSAFE.allocateInstance(A.class);

instance.test(); // output ==> 0

}

static {

try {

Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");

field.setAccessible(true);

UNSAFE = (Unsafe) field.get(null);

} catch (Exception e) {

}

}

}

class A{

private long a;

public A(){

a = 1;

}

public void test(){

System.err.println("a==>" + a);

}

}

内存崩溃(Memory corruption)

Unsafe可用于绕过安全的常用技术，直接修改内存变量；实际上，反射可以实现相同的功能。但值得关注的是，我们可以修改任何对象，甚至没有这些对象的引用

Guard guard = new Guard();

guard.giveAccess(); // false, no access

// bypass

Unsafe unsafe = getUnsafe();

Field f = guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");

unsafe.putInt(guard, unsafe.objectFieldOffset(f), 42); // memory corruption

guard.giveAccess(); // true, access granted

注意：我们不必持有这个对象的引用

浅拷贝(Shallow copy)

动态类(Dynamic classes)

我们可以在运行时创建一个类，比如从已编译的.class文件中。将类内容读取为字节数组，并正确地传递给defineClass方法；当你必须动态创建类，而现有代码中有一些代理， 这是很有用的

private static byte[] getClassContent() throws Exception {

File f = new File("/home/mishadoff/tmp/A.class");

FileInputStream input = new FileInputStream(f);

byte[] content = new byte[(int)f.length()];

input.read(content);

input.close();

return content;

}

byte[] classContents = getClassContent();

Class c = getUnsafe().defineClass(

null, classContents, 0, classContents.length);

c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(), null); // 1

抛出异常(Throw an Exception)

该方法抛出受检异常，但你的代码不必捕捉或重新抛出它，正如运行时异常一样

getUnsafe().throwException(new IOException());

大数组(Big Arrays)

正如你所知，Java数组大小的最大值为Integer.MAX_VALUE。使用直接内存分配，我们创建的数组大小受限于堆大小；实际上，这是堆外内存（off-heap memory）技术，在java.nio包中部分可用；

这种方式的内存分配不在堆上，且不受GC管理，所以必须小心Unsafe.freeMemory()的使用。它也不执行任何边界检查，所以任何非法访问可能会导致JVM崩溃

class SuperArray {

private final static int BYTE = 1;

private long size;

private long address;

pubelmdDBpjgVlic SuperArray(long size) {

this.size = size;

address = getUnsafe().allocateMemory(size * BYTE);

}

public void set(long i, byte value) {

getUnsafe().putByte(address + i * BYTE, value);

}

public int get(long idx) {

return getUnsafe().getByte(address + idx * BYTE);

}

public long size() {

return size;

}

}

long SUPER_SIZE = (long)Integer.MAX_VALUE * 2;

SuperArray array = new SuperArray(SUPER_SIZE);

System.out.println("Array size:" + array.size()); // 4294967294

for (int i = 0; i < 100; i++) {

array.set((long)Integer.MAX_VALUE + i, (byte)3);

sum += array.get((long)Integer.MAX_VALUE + i);

}

System.out.println("Sum of 100 elements:" + sum); // 300

并发(Concurrency)

几句关于Unsafe的并发性。compareAndSwap方法是原子的，并且可用来实现高性能的、无锁的数据结构

挂起与恢复

定义：

public native void unpark(Thread jthread);

public native void park(boolean isAbsolute, long time); // isAbsolute参数是指明时间是绝对的，还是相对的

将一个线程进行挂起是通过park方法实现的，调用park后，线程将一直阻塞直到超时或者中断等条件出现。unpark可以终止一个挂起的线程，使其恢复正常。整个并发框架中对线程的挂起操作被封装在 LockSupport类中，LockSupport类中有各种版本pack方法，但最终都调用了Unsafe.park()方法；

unpark函数为线程提供“许可(permit)”，线程调用park函数则等待“许可”。这个有点像信号量，但是这个“许可”是不能叠加的，“许可”是一次性的；比如线程B连续调用了三次unpark函数，当线程A调用park函数就使用掉这个“许可”，如果线程A再次调用park，则进入等待状态，见下例Example1

Example1:

// 针对当前线程已经调用过unpark(多次调用unpark的效果和调用一次unpark的效果一样)

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Thread currThread = Thread.currentThread();

UNSAFE.unpark(currThread);

UNSAFE.unpark(currThread);

UNSAFE.unpark(currThread);

UNSAFE.park(false, 0);

UNSAFE.park(false, 0);

System.out.println("SUCCESS!!!");

}

// 恢复线程interrupt() && UNSAFE.unpark()运行结果一样

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Thread currThread = Thread.currentThread();

new Thread(()->{

try {

Thread.sleep(3000);

System.err.println("sub thread end");

// currThread.interrupt();

UNSAFE.unpark(currThread);

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

}).start();

UNSAFE.park(false, 0);

System.out.println("SUCCESS!!!");

}

// 如果是相对时间也就是isAbsolute为false（注意这里后面的单位纳秒）到期的时候，与Thread.sleep效果相同，具体有什么区别有待深入研究

//相对时间后面的参数单位是纳秒

UNSAFE.park(false, 3000000000l);

System.out.println("SUCCESS!!!");

long time = System.currentTimeMillis()+3000;

//绝对时间后面的参数单位是毫秒

UNSAFE.park(true, time);

System.out.println("SUCCESS!!!");

注意，unpark函数可以先于park调用。比如线程B调用unpark函数，给线程A发了一个“许可”，那么当线程A调用park时，它发现已经有“许可”了，那么它会马上再继续运行。实际上，park函数即使没有“许可”，有时也会无理由地返回，实际上在SUN Jdk中，object.wait()也有可能被假唤醒；

注意：unpark方法最好不要在调用park前对当前线程调用unpark

Unsafe API

sun.misc.Unsafe类包含105个方法。实际上，对各种实体操作有几组重要方法，其中的一些如下：

Info.仅返回一些低级的内存信息

addressSize

pageSize

Objects.提供用于操作对象及其字段的方法

allocateInstance ##直接获取对象实例

objectFieldOffset

Classes.提供用于操作类及其静态字段的方法

staticFieldOffset

defineClass

defineAnonymousClass

ensureClassInitialized

Arrays.操作数组

arrayBaseOffset

arrayIndexScale

Synchronization.低级的同步原语

monitorEnter

tryMonitorEnter

monitorExit

compareAndSwapInt

putOrderedInt

Memory.直接内存访问方法

allocateMemory

copyMemory

freeMemory

getAddress

getInt

putInt

知识点

Unsafe.park()当遇到线程终止时，会直接返回(不同于Thread.sleep，Thread.sleep遇到thread.interrupt()会抛异常)

// Thread.sleep会抛异常

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Thread thread = new Thread(()->{

try {

System.err.println("sub thread start");

Thread.sleep(10000);

System.err.println("sub thread end");

} catch (InterruptedException e) {

e.printStackTrace();

}

});

thread.start();

TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

thread.interrupt();

System.out.println("SUCCESS!!!");

}

output==>

sub thread start

SUCCESS!!!

java.lang.InterruptedException: sleep interrupted

at java.lang.Thread.sleep(Native Method)

at com.quancheng.ConcurrentTest.lambda$main$0(ConcurrentTest.java:13)

at java.lang.Thread.run(Thread.java:745)

Process finished with exit code 0

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Thread thread = new Thread(()->{

System.err.println("sub thread start");

UNSAFE.park(false,0);

System.err.println("sub thread end");

});

thread.start();

TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

UNSAFE.unpark(thread);

System.out.println("SUCCESS!!!");

}

output==>

sub thread start

sub thread end

SUCCESS!!!

Process finished with exit code 0

unpark无法恢复处于sleep中的线程，只能与park配对使用，因为unpark发放的许可只有park能监听到

public static void main(String[] args) throws InterruptedException {

Thread thread = new Thread(() -> {

try {

System.err.println("sub thread start");

TimeUnit.SECONDS.sleep(10);

System.err.println("sub thread end");

} catch (Exception e) {

e.printStackTrace();

}

});

thread.start();

TimeUnit.SECONDS.sleep(3);

UNSAFE.unpark(thread);

System.out.println("SUCCESS!!!");

}

park和unpark的灵活之处

上面已经提到，unpark函数可以先于park调用，这个正是它们的灵活之处。

一个线程它有可能在别的线程unPark之前，或者之后，或者同时调用了park，那么因为park的特性，它可以不用担心自己的park的时序问题，否则，如果park必须要在unpark之前，那么给编程带来很大的麻烦！！

”考虑一下，两个线程同步，要如何处理？

在Java5里是用wait/notify/notifyAll来同步的。wait/notify机制有个很蛋疼的地方是，比如线程B要用notify通知线程A，那么线程B要确保线程A已经在wait调用上等待了，否则线程A可能永远都在等待。编程的时候就会很蛋疼。

另外，是调用notify，还是notifyAll？

notify只会唤醒一个线程，如果错误地有两个线程在同一个对象上wait等待，那么又悲剧了。为了安全起见，貌似只能调用notifyAll了“

park/unpark模型真正解耦了线程之间的同步，线程之间不再需要一个Object或者其它变量来存储状态，不再需要关心对方的状态

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