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十七、Unsafe类的使用

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Unsafe 类的使用

1. 前言

本节对 Unsafe 类的使用进行讲解,上一小节内容已经对 Unsafe 类的常用方法有了大体的概括,本节主要内容点如下:
Unsafe 类的简介,对 UnSafe 类有一个整体的认识;
Unsafe 类的创建以及创建过程中避免的异常机制,这是开始使用 UnSafe 类的前提;
了解 Unsafe 类操作对象属性方法的使用,这是本节内容的重点之一;
了解 Unsafe 操作数组元素方法的使用,也是本节内容的重点之一。

本节内容意在了解并掌握 Unsafe 类的常用方法的使用。

2. Unsafe 类简介

Unsafe 类是 Java 整个并发包底层实现的核心,它具有像 C++ 的指针一样直接操作内存的能力,而这也就意味着其越过了 JVM 的限制。

Unsafe 类有如下的特点:

  • Unsafe 不受 JVM 管理,也就无法被自动 GC,需要手动 GC,容易出现内存泄漏;
  • Unsafe 的大部分方法中必须提供原始地址 (内存地址) 和被替换对象的地址,偏移量需自行计算,一旦出现问题必然是 JVM 崩溃级别的异常,会导致整个应用程序直接 crash;
  • 直接操作内存,也意味着其速度更快,在高并发的条件之下能够很好地提高效率。

3. Unsafe 类的创建

Unsafe 类是不可以通过 new 关键字直接创建的。Unsafe 类的构造函数是私有的,而对外提供的静态方法 Unsafe.getUnsafe () 又对调用者的 ClassLoader 有限制 ,如果这个方法的调用者不是由 Boot ClassLoader 加载的,则会报错。

实例:通过 main 方法进行调用,报错。

import sun.misc.Unsafe;
import sun.misc.VM;
import sun.reflect.Reflection;

public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) {
        getUnsafe();
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Class unsafeClass = Reflection.getCallerClass();
        if (!VM.isSystemDomainLoader(unsafeClass.getClassLoader())) {
            throw new SecurityException("Unsafe");
        } else {
            return null;
        }
    }
}

运行结果

Exception in thread "main" java.lang.InternalError: CallerSensitive annotation expected at frame 1
    at sun.reflect.Reflection.getCallerClass(Native Method)
    at leeCode.DemoTest.getUnsafe(DemoTest.java:12)
    at leeCode.DemoTest.main(DemoTest.java:9)

报错原因: Java 源码中由开发者自定义的类都是由 Appliaction ClassLoader 加载的,也就是说 main 函数所依赖的 jar 包都是 ClassLoader 加载的,所以会报错。

所以正常情况下我们无法直接使用 Unsafe ,如果需要使用它,则需要利用反射

实例:通过反射,成功加载 Unsafe 类。

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class DemoTest {
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        System.out.println("Unsafe 加载成功:"+unsafe);
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
}

结果验证

Unsafe 加载成功:sun.misc.Unsafe@677327b6

总结:Unsafe 类的加载必须使用反射进行,否则会报错。

4. Unsafe 类操作对象属性

操作对象属性的常用方法有

  • public native Object getObject(Object o, long offset):获取一个 Java 对象中偏移地址为 offset 的属性的值,此方法可以突破修饰符的限制,类似的方法有 getInt ()、getDouble () 等,同理还有 putObject () 方法;
  • public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset):强制从主存中获取目标对象指定偏移量的属性值,类似的方法有 getIntVolatile (),getDoubleVolatile () 等,同理还有 putObjectVolatile ();
  • public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x):设置目标对象中偏移地址 offset 对应的对象类型属性的值为指定值。这是一个有序或者有延迟的 putObjectVolatile () 方法,并且不保证值的改变被其他线程立即看到。只有在属性被 volatile 修饰并且期望被修改的时候使用才会生效,类似的方法有 putOrderedInt () 和 putOrderedLong ();
  • public native long objectFieldOffset(Field f):返回给定的非静态属性在它的类的存储分配中的位置 (偏移地址),然后可根据偏移地址直接对属性进行修改,可突破属性的访问修饰符限制。

实例

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class DemoTest {
    private String name;
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        try {
            DemoTest directMemory = (DemoTest) unsafe.allocateInstance(DemoTest.class);
            //获取name属性
            long nameOffset = unsafe.objectFieldOffset(DemoTest.class.getDeclaredField("name"));
            //设置name属性
            unsafe.putObject(directMemory, nameOffset, "并发编程");
            System.out.println("属性设置成功:"+ directMemory.getName());
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
    public void setName(String name) {
        this.name = name;
    }
    public String getName() {
        return name;
    }
}

结果验证:

属性设置成功:并发编程

5. Unsafe 操作数组元素

Unsafe 操作数组元素主要有如下两个方法:

  • public native int arrayBaseOffset(Class arrayClass):返回数组类型的第一个元素的偏移地址 (基础偏移地址);
  • public native int arrayIndexScale(Class arrayClass):返回数组中元素与元素之间的偏移地址的增量,配合 arrayBaseOffset () 使用就可以定位到任何一个元素的地址。

实例

import sun.misc.Unsafe;
import java.lang.reflect.Field;

public class DemoTest {
    private static String[] names = {"多线程", "Java", "并发编程"};
    public static void main(String[] args) {
        Unsafe unsafe = getUnsafe();
        try {
            Class<?> a = String[].class;
            int base = unsafe.arrayBaseOffset(a);
            int scale = unsafe.arrayIndexScale(a);
            // base + i * scale 即为字符串数组下标 i 在对象的内存中的偏移地址
            System.out.println(unsafe.getObject(names, (long) base + 2 * scale));
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
    }
    public static Unsafe getUnsafe() {
        Unsafe unsafe = null;
        try {
            Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
            field.setAccessible(true);
            unsafe = (Unsafe) field.get(null);
        } catch (Exception e) {
            e.printStackTrace();
        }
        return unsafe;
    }
}

结果验证

并发编程

通过对数组的元素的地址进行内存偏移,最后得到的结果为最后一个元素,并发编程。base + 2 * scale 表示字符串数组下标 i 在对象的内存中的偏移地址,偏移两个元素,得到最后一个元素。

6. 小结

本节内容主要对 Unsafe 类的常用方法的使用进行介绍,使学习者能够在使用 Unsafe 类操作对象和数组时,能够快速的使用课程中提供的实例思路。其实 Unsafe 类还可以操作内存地址,操作 CAS,对于初学者来说就比较晦涩了。

此处对操作对象和操作数组常用的方法的讲解,是本节的核心知识,掌握 Unsafe 类的常用方法的使用,非常重要。

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