Java中的魔法类：sun.misc.Unsafe示例详解
前言
Unsafe类在jdk源码的多个类中用到，这个类的提供了一些绕开JVM的更底层功能，基于它的实现可以提高效率。但是，它是一把双刃剑：正如它的名字所预示的那样，它是Unsafe的，它所分配的内存需要手动free（不被GC回收）。Unsafe类，提供了JNI某些功能的简单替代：确保高效性的同时，使事情变得更简单。
这个类是属于sun.*API中的类，并且它不是J2SE中真正的一部份，因此你可能找不到任何的官方文档，更可悲的是，它也没有比较好的代码文档。
这篇文章主要是以下文章的整理、翻译。
http://mishadoff.com/blog/java-magic-part-4-sun-dot-misc-dot-unsafe/
1.UnsafeAPI的大部分方法都是native实现，它由105个方法组成，主要包括以下几类：
（1）Info相关。主要返回某些低级别的内存信息：addressSize(),pageSize()
（2）Objects相关。主要提供Object和它的域操纵方法：allocateInstance(),objectFieldOffset()
（3）Class相关。主要提供Class和它的静态域操纵方法：staticFieldOffset(),defineClass(),defineAnonymousClass(),ensureClassInitialized()
（4）Arrays相关。数组操纵方法：arrayBaseOffset(),arrayIndexScale()
（5）Synchronization相关。主要提供低级别同步原语（如基于CPU的CAS（Compare-And-Swap）原语）：monitorEnter(),tryMonitorEnter(),monitorExit(),compareAndSwapInt(),putOrderedInt()
（6）Memory相关。直接内存访问方法（绕过JVM堆直接操纵本地内存）：allocateMemory(),copyMemory(),freeMemory(),getAddress(),getInt(),putInt()
2.Unsafe类实例的获取
Unsafe类设计只提供给JVM信任的启动类加载器所使用，是一个典型的单例模式类。它的实例获取方法如下：
publicstaticUnsafegetUnsafe(){
Classcc=sun.reflect.Reflection.getCallerClass(2);
if(cc.getClassLoader()!=null)
thrownewSecurityException("Unsafe");
returntheUnsafe;
}
非启动类加载器直接调用Unsafe.getUnsafe()方法会抛出SecurityException（具体原因涉及JVM类的双亲加载机制）。
解决办法有两个，其一是通过JVM参数-Xbootclasspath指定要使用的类为启动类，另外一个办法就是java反射了。
Fieldf=Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe");
f.setAccessible(true);
Unsafeunsafe=(Unsafe)f.get(null);
通过将private单例实例暴力设置accessible为true，然后通过Field的get方法，直接获取一个Object强制转换为Unsafe。在IDE中，这些方法会被标志为Error，可以通过以下设置解决：
Preferences->Java->Compiler->Errors/Warnings-> DeprecatedandrestrictedAPI->Forbiddenreference->Warning
3.Unsafe类“有趣”的应用场景
（1）绕过类初始化方法。当你想要绕过对象构造方法、安全检查器或者没有public的构造方法时，allocateInstance()方法变得非常有用。
classA{
privatelonga;//notinitializedvalue
publicA(){
this.a=1;//initialization
}
publiclonga(){returnthis.a;}
}
以下是构造方法、反射方法和allocateInstance()的对照
Ao1=newA();//constructor o1.a();//prints1 Ao2=A.class.newInstance();//reflection o2.a();//prints1 Ao3=(A)unsafe.allocateInstance(A.class);//unsafe o3.a();//prints0
allocateInstance()根本没有进入构造方法，在单例模式时，我们似乎看到了危机。
（2）内存修改
内存修改在c语言中是比较常见的，在Java中，可以用它绕过安全检查器。
考虑以下简单准入检查规则：
classGuard{
privateintACCESS_ALLOWED=1;
publicbooleangiveAccess(){
return42==ACCESS_ALLOWED;
}
}
在正常情况下，giveAccess总会返回false，但事情不总是这样
Guardguard=newGuard();
guard.giveAccess();//false,noaccess
//bypass
Unsafeunsafe=getUnsafe();
Fieldf=guard.getClass().getDeclaredField("ACCESS_ALLOWED");
unsafe.putInt(guard,unsafe.objectFieldOffset(f),42);//memorycorruption
guard.giveAccess();//true,accessgranted
通过计算内存偏移，并使用putInt()方法，类的ACCESS_ALLOWED被修改。在已知类结构的时候，数据的偏移总是可以计算出来（与c++中的类中数据的偏移计算是一致的）。
（3）实现类似C语言的sizeOf()函数
通过结合Java反射和objectFieldOffset()函数实现一个C-likesizeOf()函数。
publicstaticlongsizeOf(Objecto){
Unsafeu=getUnsafe();
HashSetfields=newHashSet();
Classc=o.getClass();
while(c!=Object.class){
for(Fieldf:c.getDeclaredFields()){
if((f.getModifiers()&Modifier.STATIC)==0){
fields.add(f);
}
}
c=c.getSuperclass();
}
//getoffset
longmaxSize=0;
for(Fieldf:fields){
longoffset=u.objectFieldOffset(f);
if(offset>maxSize){
maxSize=offset;
}
}
return((maxSize/8)+1)*8;//padding
}
算法的思路非常清晰：从底层子类开始，依次取出它自己和它的所有超类的非静态域，放置到一个HashSet中（重复的只计算一次，Java是单继承），然后使用objectFieldOffset()获得一个最大偏移，最后还考虑了对齐。
在32位的JVM中，可以通过读取class文件偏移为12的long来获取size。
publicstaticlongsizeOf(Objectobject){
returngetUnsafe().getAddress(
normalize(getUnsafe().getInt(object,4L))+12L);
}
其中normalize()函数是一个将有符号int转为无符号long的方法
privatestaticlongnormalize(intvalue){
if(value>=0)returnvalue;
return(0L>>>32)&value;
}
两个sizeOf()计算的类的尺寸是一致的。最标准的sizeOf()实现是使用java.lang.instrument，但是，它需要指定命令行参数-javaagent。
（4）实现Java浅复制
标准的浅复制方案是实现Cloneable接口或者自己实现的复制函数，它们都不是多用途的函数。通过结合sizeOf()方法，可以实现浅复制。
staticObjectshallowCopy(Objectobj){
longsize=sizeOf(obj);
longstart=toAddress(obj);
longaddress=getUnsafe().allocateMemory(size);
getUnsafe().copyMemory(start,address,size);
returnfromAddress(address);
}
以下的toAddress()和fromAddress()分别将对象转换到它的地址以及相反操作。
staticlongtoAddress(Objectobj){
Object[]array=newObject[]{obj};
longbaseOffset=getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
returnnormalize(getUnsafe().getInt(array,baseOffset));
}
staticObjectfromAddress(longaddress){
Object[]array=newObject[]{null};
longbaseOffset=getUnsafe().arrayBaseOffset(Object[].class);
getUnsafe().putLong(array,baseOffset,address);
returnarray[0];
}
以上的浅复制函数可以应用于任意java对象，它的尺寸是动态计算的。
（5）消去内存中的密码
密码字段存储在String中，但是，String的回收是受到JVM管理的。最安全的做法是，在密码字段使用完之后，将它的值覆盖。
FieldstringValue=String.class.getDeclaredField("value");
stringValue.setAccessible(true);
char[]mem=(char[])stringValue.get(password);
for(inti=0;i
（6）动态加载类
标准的动态加载类的方法是Class.forName()(在编写jdbc程序时，记忆深刻)，使用Unsafe也可以动态加载java的class文件。
byte[]classContents=getClassContent();
Classc=getUnsafe().defineClass(
null,classContents,0,classContents.length);
c.getMethod("a").invoke(c.newInstance(),null);//1
getClassContent()方法，将一个class文件，读取到一个byte数组。
privatestaticbyte[]getClassContent()throwsException{
Filef=newFile("/home/mishadoff/tmp/A.class");
FileInputStreaminput=newFileInputStream(f);
byte[]content=newbyte[(int)f.length()];
input.read(content);
input.close();
returncontent;
}
动态加载、代理、切片等功能中可以应用。
（7）包装受检异常为运行时异常。
getUnsafe().throwException(newIOException());
当你不希望捕获受检异常时，可以这样做（并不推荐）。
（8）快速序列化
标准的javaSerializable速度很慢，它还限制类必须有public无参构造函数。Externalizable好些，它需要为要序列化的类指定模式。流行的高效序列化库，比如kryo依赖于第三方库，会增加内存的消耗。可以通过getInt(),getLong(),getObject()等方法获取类中的域的实际值，将类名称等信息一起持久化到文件。kryo有使用Unsafe的尝试，但是没有具体的性能提升的数据。（http://code.google.com/p/kryo/issues/detail?id=75）
（9）在非Java堆中分配内存
使用java的new会在堆中为对象分配内存，并且对象的生命周期内，会被JVMGC管理。
classSuperArray{
privatefinalstaticintBYTE=1;
privatelongsize;
privatelongaddress;
publicSuperArray(longsize){
this.size=size;
address=getUnsafe().allocateMemory(size*BYTE);
}
publicvoidset(longi,bytevalue){
getUnsafe().putByte(address+i*BYTE,value);
}
publicintget(longidx){
returngetUnsafe().getByte(address+idx*BYTE);
}
publiclongsize(){
returnsize;
}
}
Unsafe分配的内存，不受Integer.MAX_VALUE的限制，并且分配在非堆内存，使用它时，需要非常谨慎：忘记手动回收时，会产生内存泄露；非法的地址访问时，会导致JVM崩溃。在需要分配大的连续区域、实时编程（不能容忍JVM延迟）时，可以使用它。java.nio使用这一技术。
（10）Java并发中的应用
通过使用Unsafe.compareAndSwap()可以用来实现高效的无锁数据结构。
classCASCounterimplementsCounter{
privatevolatilelongcounter=0;
privateUnsafeunsafe;
privatelongoffset;
publicCASCounter()throwsException{
unsafe=getUnsafe();
offset=unsafe.objectFieldOffset(CASCounter.class.getDeclaredField("counter"));
}
@Override
publicvoidincrement(){
longbefore=counter;
while(!unsafe.compareAndSwapLong(this,offset,before,before+1)){
before=counter;
}
}
@Override
publiclonggetCounter(){
returncounter;
}
}
通过测试，以上数据结构与java的原子变量的效率基本一致，Java原子变量也使用Unsafe的compareAndSwap()方法，而这个方法最终会对应到cpu的对应原语，因此，它的效率非常高。这里有一个实现无锁HashMap的方案（http://www.azulsystems.com/about_us/presentations/lock-free-hash，这个方案的思路是：分析各个状态，创建拷贝，修改拷贝，使用CAS原语，自旋锁），在普通的服务器机器（核心<32），使用ConcurrentHashMap（JDK8以前，默认16路分离锁实现，JDK8中ConcurrentHashMap已经使用无锁实现）明显已经够用。
总结
以上就是这篇文章的全部内容了，希望本文的内容对大家的学习或者工作具有一定的参考学习价值，如果有疑问大家可以留言交流，谢谢大家对毛票票的支持。