Java Unsafe
Unsafe 是 sun.misc 包下的一个类，可以直接操作堆外内存，可以随意查看及修改 JVM 中运行时的数据，使 Java 语言拥有了类似 C 语言指针一样操作内存空间的能力。
Unsafe 的操作粒度不是类，而是内存地址和所对应的数据，增强了 Java 语言操作底层资源的能力。
一、获得 Unsafe 实例
查看 Unsafe.java 源码：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/jdk/file/tip/src/share/classes/sun/misc/Unsafe.java
public final class Unsafe { private Unsafe() {} // 单例对象 private static final Unsafe theUnsafe = new Unsafe(); @CallerSensitive public static Unsafe getUnsafe() { Class<?> caller = Reflection.getCallerClass(); // 仅在引导类加载器 BootstrapClassLoader 加载时才合法 if (!VM.isSystemDomainLoader(caller.getClassLoader())) throw new SecurityException("Unsafe"); return theUnsafe; } }
由此可以看出自己写的类即不能 new Unsafe() 对象也不能调用其 getUnsafe() 方法。
若想使用这个类只能通过其它方法，有如下两个可行方案。
1.让自己写的类使用 BootstrapClassLoader 加载
# unix 使用:号，windows 使用;号，这里以 windows 为例，使用了 Unsafe 类的 jar 包路径为 /hone/myUnsafe.jar java -Xbootclasspath/a;/home/myUnsafe.jar com.unsafeTest
2.通过反射获取单例对象 theUnsafe
private static Unsafe reflectGetUnsafe() { try { // 获得 theUnsafe 属性对象 Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); // 取消权限控制检查，让其可获得 private 修饰属性 field.setAccessible(true); // 获得 Unsafe.class 的 theUnsafe 属性（如果底层字段是一个静态字段，则忽略 obj 参数；它可能为 null） return (Unsafe) field.get(null); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } }
二、Unsafe 常用 API 介绍
Unsafe 类大部分都是 native 方法，具体实现由 JVM 完成：https://hg.openjdk.java.net/jdk8u/jdk8u/hotspot/file/tip/src/share/vm/prims/unsafe.cpp
1.内存操作（堆外内存）
// 分配内存, 相当于 C++ 的 malloc 函数 public native long allocateMemory(long bytes); // 扩充内存 public native long reallocateMemory(long address, long bytes); // 释放内存 public native void freeMemory(long address); // 在给定的内存块中设置值 public native void setMemory(Object o, long offset, long bytes, byte value); // 内存拷贝 public native void copyMemory(Object srcBase, long srcOffset, Object destBase, long destOffset, long bytes); // 获取给定地址值，忽略修饰限定符的访问限制。与此类似操作还有: getInt，getDouble，getLong，getChar 等 public native Object getObject(Object o, long offset); // 为给定地址设置值，忽略修饰限定符的访问限制，与此类似操作还有: putInt,putDouble，putLong，putChar 等 public native void putObject(Object o, long offset, Object x); // 获取给定地址的 byte 类型的值（当且仅当该内存地址为 allocateMemory 分配时，此方法结果为确定的） public native byte getByte(long address); // 为给定地址设置 byte 类型的值（当且仅当该内存地址为 allocateMemory 分配时，此方法结果才是确定的） public native void putByte(long address, byte x);
2.CAS
/** * CAS * * @param o 包含要修改field的对象 * @param offset 对象中某field的偏移量 * @param expected 期望值 * @param update 更新值 * @return true | false */ public final native boolean compareAndSwapObject(Object o, long offset, Object expected, Object update); public final native boolean compareAndSwapInt(Object o, long offset, int expected, int update); public final native boolean compareAndSwapLong(Object o, long offset, long expected, long update);
3.线程调度
// 阻塞线程 public native void park(boolean isAbsolute, long time); // 取消阻塞线程 public native void unpark(Object thread); // 获得对象锁（可重入锁） @Deprecated public native void monitorEnter(Object o); // 释放对象锁 @Deprecated public native void monitorExit(Object o); // 尝试获取对象锁 @Deprecated public native boolean tryMonitorEnter(Object o);
4.Class 相关
// 获取给定静态字段的内存地址偏移量，这个值对于给定的字段是唯一且固定不变的 public native long staticFieldOffset(Field f); // 获取一个静态类中给定字段的对象指针 public native Object staticFieldBase(Field f); // 判断是否需要初始化一个类，通常在获取一个类的静态属性的时候（因为一个类如果没初始化，它的静态属性也不会初始化）使用。 当且仅当 ensureClassInitialized 方法不生效时返回 false。 public native boolean shouldBeInitialized(Class<?> c); // 检测给定的类是否已经初始化。通常在获取一个类的静态属性的时候（因为一个类如果没初始化，它的静态属性也不会初始化）使用。 public native void ensureClassInitialized(Class<?> c); // 定义一个类，此方法会跳过 JVM 的所有安全检查，默认情况下，ClassLoader（类加载器）和 ProtectionDomain（保护域）实例来源于调用者 public native Class<?> defineClass(String name, byte[] b, int off, int len, ClassLoader loader, ProtectionDomain protectionDomain); // 定义一个匿名类 public native Class<?> defineAnonymousClass(Class<?> hostClass, byte[] data, Object[] cpPatches);
5.对象操作
// 返回对象成员属性在内存地址相对于此对象的内存地址的偏移量 public native long objectFieldOffset(Field f); // 获得给定对象的指定地址偏移量的值，与此类似操作还有：getInt，getDouble，getLong，getChar等 public native Object getObject(Object o, long offset); // 给定对象的指定地址偏移量设值，与此类似操作还有：putInt，putDouble，putLong，putChar等 public native void putObject(Object o, long offset, Object x); // 从对象的指定偏移量处获取变量的引用，使用volatile的加载语义 public native Object getObjectVolatile(Object o, long offset); // 存储变量的引用到对象的指定的偏移量处，使用 volatile 的存储语义 public native void putObjectVolatile(Object o, long offset, Object x); // 有序、延迟版本的 putObjectVolatile 方法，不保证值的改变被其他线程立即看到。只有在 field 被 volatile 修饰符修饰时有效 public native void putOrderedObject(Object o, long offset, Object x); // 绕过构造方法、初始化代码来创建对象 public native Object allocateInstance(Class<?> cls) throws InstantiationException;
6.数组相关
// 返回数组中第一个元素的偏移地址 public native int arrayBaseOffset(Class<?> arrayClass); // 返回数组中一个元素占用的大小 public native int arrayIndexScale(Class<?> arrayClass);
7.内存屏障
// 内存屏障，禁止 load 操作重排序。屏障前的 load 操作不能被重排序到屏障后，屏障后的 load 操作不能被重排序到屏障前 public native void loadFence(); // 内存屏障，禁止 store 操作重排序。屏障前的 store 操作不能被重排序到屏障后，屏障后的 store 操作不能被重排序到屏障前 public native void storeFence(); // 内存屏障，禁止 load、store 操作重排序 public native void fullFence();
8.系统相关
// 返回系统指针的大小。返回值为 4（32位系统）或 8（64位系统）。 public native int addressSize(); // 内存页的大小，此值为 2 的幂次方。 public native int pageSize();
三、简单使用
创建对象并修改其属性
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。
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。
class User { private String name; private int age; public User(String name, int age) { this.name = name; this.age = age; } public String getName() { return name; } public void setName(String name) { this.name = name; } public int getAge() { return age; } public void setAge(int age) { this.age = age; } @Override public String toString() { return "User{" + "name='" + name + '\'' + ", age=" + age + '}'; } } public static void main(String[] args) throws Exception { Class userClass = User.class; // 避开构造方法初始化对象 User user = (User) unsafe.allocateInstance(userClass); user.setAge(20); System.out.println(user); // 修改对象成员值 Field field = User.class.getDeclaredField("age"); unsafe.putInt(user, unsafe.objectFieldOffset(field), 8); System.out.println(user); } private static Unsafe unsafe; static { unsafe = reflectGetUnsafe(); } private static Unsafe reflectGetUnsafe() { try { Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); field.setAccessible(true); return (Unsafe) field.get(null); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } }
大数组
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。
使用堆外内存（off-heap memory）技术，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; private static Unsafe unsafe; static { unsafe = reflectGetUnsafe(); } public static Unsafe getUnsafe() { return unsafe; } public long getAddress() { return address; } private static Unsafe reflectGetUnsafe() { try { Field field = Unsafe.class.getDeclaredField("theUnsafe"); field.setAccessible(true); return (Unsafe) field.get(null); } catch (Exception e) { e.printStackTrace(); return null; } } public SuperArray(long size) { this.size = size; address = unsafe.allocateMemory(size * BYTE); } public void set(long i, byte value) { unsafe.putByte(address + i * BYTE, value); } public int get(long idx) { return unsafe.getByte(address + idx * BYTE); } public long size() { return size; } } public static void main(String[] args) { int sum = 0; 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 SuperArray.getUnsafe().freeMemory(array.getAddress()); }
https://tech.meituan.com/2019/02/14/talk-about-java-magic-class-unsafe.html
